DE10164086A1

DE10164086A1 - Production of silicon granulate, used for electronic device or solar cell manufacture, includes two-phase cyclic process with unfluidized or hardly fluidized bed of silicon particles during deposition and alternating with fluidization

Info

Publication number: DE10164086A1
Application number: DE2001164086
Authority: DE
Inventors: Thorsten Gerdes
Original assignee: Invertec E V
Current assignee: Invertec E V
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2003-08-14

Abstract

In the production of very pure silicon (Si) granulate by decomposition of a Si source gas (I) in a bed of Si particles, the process is carried out cyclically in two phases, in which (1) the gas mixture flowing through the reactor does not fluidize or hardly fluidizes the Si bed during deposition and (2) the bed is fluidized to prevent adhesion and eliminate temperature inhomogeneities.

Description

Hochreines Silicium für elektronische Bauteile oder Solarzellen wird durch die thermische Zersetzung eines Si-Quellgases wie Trichlorsilan oder Silan (SiH4) hergestellt. Da für die nachfolgenden Schmelzprozesse bevorzugt Si-Granulate oder Si-Bruchstücke eingesetzt werden, wird die Zersetzung des Quellgases nicht homogen in der Gasphase durchgeführt sondern heterogen auf bereits vorhandenen Si-Oberflächen (CVD-Prozeß). Der größte Teil des verfügbaren Reinstsiliciums wird im Siemens-Prozeß herstellt. Bei diesem Prozeß wird ein Gemisch aus Wasserstoff und einem Silicium-Quellgases an widerstandsbeheizten Siliciumstäben unter einer Metallglocke zersetzt. Da dieser Prozeß energetisch sehr aufwendig ist, wird seit mehr als 20 Jahren intensiv versucht neue Herstellungsverfahren zu entwickeln. Als energetisch günstiger hat sich die Zersetzung des Quellgases auf Si-Keimen in einem Wirbelschichtprozeß erwiesen. Dabei wird die Si-Wirbelschicht je nach Quellgas auf Temperaturen von 600-1000°C aufgeheizt und das Quellgas an den vorhandenen Si-Partikeln zersetzt. Dem Reaktor werden in der Regel kontinuierlich große Partikel entnommen und Si-Keime zugeführt. Um eine homogene Zersetzung des Quellgases und damit eine erhöhte Feinstaubbildung zu vermeiden, sollten die Fluidisiergase mit niedriger Temperatur in die Wirbelschicht eingeleitet werden. Für die Aufheizung der Gase auf Zersetzungstemperatur müssen der Wirbelschicht daher große Mengen Energie zugeführt werden. Das Siliciumquellgas kann nur in relativ niedriger Konzentration in den Reaktor eingeleitet werden, um den Feinstaubanteil zu begrenzen. High-purity silicon for electronic components or solar cells is made possible by the thermal Decomposes a Si source gas such as trichlorosilane or silane (SiH4). As for the subsequent melting processes, preferably Si granules or Si fragments are used, the decomposition of the source gas is not carried out homogeneously in the gas phase but heterogeneously on existing Si surfaces (CVD process). Most of the available Ultrapure silicon is produced in the Siemens process. In this process a mixture is made Hydrogen and a silicon source gas on resistance-heated silicon rods under one Decomposed metal bell. Since this process is energetically very complex, it has been used for more than 20 years intensively tries to develop new manufacturing processes. It has proven to be more energy efficient Decomposition of the source gas on Si seeds has been demonstrated in a fluidized bed process. The Depending on the source gas, the Si fluidized bed is heated to temperatures of 600-1000 ° C and the source gas decomposed on the existing Si particles. The reactor usually becomes large continuously Particles removed and Si seeds added. To ensure homogeneous decomposition of the source gas and In order to avoid increased fine dust formation, the fluidizing gases should be lower Temperature into the fluidized bed. For heating up the gases Decomposition temperature must therefore be supplied to the fluidized bed with large amounts of energy. The silicon source gas can only be introduced into the reactor in a relatively low concentration, to limit the amount of fine dust.

Der Wärmeeintrag erfolgt zur Zeit bevorzugt durch die Beheizung der Reaktorwand. Um einen ausreichenden Wärmeeintrag in die Wirbelschicht zu gewährleisten, muß die Reaktorwand gegenüber der Wirbelschicht jedoch deutlich überhitzt werden, was zur Folge hat, daß sich die Quellgase bevorzugt an den Reaktorwänden abscheiden. Diese Wandablagerungen erschweren den Wärmeeintrag und führen zum Zuwachsen des Reaktors. In neueren Reaktorentwicklungen wird daher versucht, die erforderliche Energie zumindest teilweise direkt in die Wirbelschicht einzubringen und damit eine Überhitzung der Wand zu vermeiden [1]. Eine direkte Beheizung der Wirbelschicht kann kapazitiv, induktiv, durch Mikrowellenstrahlung, oder eine zusätzliche Reaktionsenthalphie erfolgen. Die Zahl neuerer Patenanmeldungen zeigt, daß die direkte Beheizung der Wirbelschicht mit Mikrowellen gegenüber anderen direkten Heizverfahren wie die induktive oder kapazitive Beheizung der Wirbelschicht das größte Potential besitzt [1-5]. Es werden zur Zeit Verfahren diskutiert in denen die erforderliche Energie ausschließlich mit Mikrowellen eingebracht wird [1-3] und Verfahren in denen eine direkte und indirekte Beheizung kombiniert wird [4]. Da der Wirkungsgrad von MW-Quellen mit 50-70% zum Teil deutlich niedriger liegt als z. B. bei einer Widerstandsheizung, kann durch die Kombination von direkten und indirekten Heizverfahren sowohl eine energetische als auch prozeßtechnische Optimierung erfolgen. The heat input is currently preferably carried out by heating the reactor wall. To one The reactor wall must ensure adequate heat input into the fluidized bed compared to the fluidized bed, however, are significantly overheated, with the result that the Separate source gases preferably on the reactor walls. These wall deposits complicate the Heat input and lead to overgrowth of the reactor. In more recent reactor developments therefore tries to direct the required energy at least partially into the fluidized bed and to prevent the wall from overheating [1]. Direct heating of the Fluidized bed can be capacitive, inductive, by microwave radiation, or an additional one Reaction enthalpy take place. The number of recent patent applications shows that direct heating the fluidized bed with microwaves compared to other direct heating processes such as inductive or capacitive heating of the fluidized bed has the greatest potential [1-5]. It is currently Processes are discussed in which the required energy is brought in exclusively with microwaves is [1-3] and methods in which a direct and indirect heating is combined [4]. Since the Efficiency of MW sources with 50-70% is in some cases significantly lower than e.g. B. at a Resistance heating, can be achieved by combining direct and indirect heating processes Both an energetic and process engineering optimization take place.

Die bekannten Konzepte für eine Siliciumproduktion im Wirbelschichtreaktor weisen jedoch alle verfahrensinhärente Probleme bei der Prozeßführung auf, die die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens stark beeinträchtigen: However, the known concepts for silicon production in a fluidized bed reactor all show procedural problems inherent in litigation that affect the economics of Severely affect overall procedure:

1. Wall deposits

Durch den CVD-Prozeß und durch Feinstaubablagerungen kommt es zum Zuwachsen des Reaktors wodurch der kontinuierliche Dauerbetrieb erheblich eingeschränkt wird. Durch eine Volumenheizung der Wirbelschicht z. B. mit Mikrowellen kann zwar die Temperatur der Reaktorwand deutlich gesenkt und damit die Abscheiderate reduziert werden, jedoch steigt der Energiebedarf durch die zusätzliche Wärmeabfuhr über den Reaktormantel. The CVD process and fine dust deposits cause the Reactor which significantly limits continuous continuous operation. By a Volume heating of the fluidized bed z. B. with microwaves, the temperature of Reactor wall significantly reduced and thus the deposition rate is reduced, but increases Energy requirement through the additional heat dissipation via the reactor jacket.

2. Fine dust formation

Bei der Verwendung von Silan als Si-Quellgas ist die Feinstaubbildung bei höheren Silankonzentrationen nicht zu vermeiden. Eine Verdünnung des Feedstromes mit Wasserstoff ist jedoch nur bis zu einem gewissen Grad wirtschaftlich sinnvoll, so daß bei üblichen Prozeßbedingungen von einem Feinstaubanteil von 10-40% ausgegangen werden kann. Der ausgetragene Feinstaub ist nur mit erbeblichen Aufwand zu verwertbar. When using silane as Si source gas, fine dust formation is higher Unavoidable silane concentrations. A dilution of the feed stream with hydrogen is however only economically sensible to a certain extent, so that with conventional Process conditions from a fine dust content of 10-40% can be assumed. The Discharged particulate matter can only be used with considerable effort.

3. Energy expenditure for heating the hydrogen

Um einen ausreichenden Fluidisierungsgrad der Wirbelschicht von ca. 3 u_mf zu realisieren, sind bei einer Silankonzentration von 10-20% entsprechend große Mengen Wasserstoff erforderlich, die relativ kalt in den Reaktor eingespeist werden und den Reaktor bei Pyrolysetemperatur (ca. 650°C bei Silan und ca. 950°C bei Trichlorsilan als Quellgas) verlassen. Fast 2/3 der erforderlichen Heizleistung wird zur Erwärmung dieses Inertgastromes benötigt. In order to achieve a sufficient degree of fluidization of the fluidized bed of approx. 3 u _mf , at a silane concentration of 10-20%, correspondingly large amounts of hydrogen are required, which are fed into the reactor relatively cold and the reactor at pyrolysis temperature (approx. 650 ° C. at Leave silane and approx. 950 ° C with trichlorosilane as source gas). Nearly 2/3 of the required heating power is required for heating this Inertgastromes.

4. Choice of materials

Aufgrund der Kombination der thermischen, mechanischen, und abrasiven Belastung mit den Reinheitsanforderungen an das Produkt ist eine zufriedenstellende Werkstoffauswahl zur Zeit für einen Wirbelschichtreaktor im Produktionsmaßstab noch nicht möglich. Due to the combination of the thermal, mechanical and abrasive load with the Purity requirements for the product is currently a satisfactory selection of materials for a fluidized bed reactor on a production scale is not yet possible.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Zersetzung des Siliciumquellgases zyklisch in einem teilfluidisierten Silicium-Bett (Fig. 1). Das Bett aus Siliciumgranulat (10) zeichnet sich gegenüber bekannten Verfahren durch ein relativ niedriges Höhe/Durchmesser-Verhältnis von vorzugsweise 2-4 aus. Der Durchmesser d der Begasungszone (4) ist vorzugsweise kleiner als der halbe Reaktordurchmesser, so daß eine Fluidisierung primär auf das Zentrum der Wirbelschicht begrenzt ist. In the process according to the invention, the silicon source gas is decomposed cyclically in a partially fluidized silicon bed ( FIG. 1). The bed made of silicon granulate ( 10 ) is distinguished from known processes by a relatively low height / diameter ratio of preferably 2-4. The diameter d of the gassing zone ( 4 ) is preferably smaller than half the reactor diameter, so that fluidization is primarily limited to the center of the fluidized bed.

Die Betriebszustände wechseln zyklisch zwischen einer Fluidisierungs- und einer Abscheidephase (CVD-Phase) (Fig. 2). Während der CVD-Phase liegt die Gasgeschwindigkeit des in den Reaktor eintretenden Gemisches aus Inertgas und Siliciumquellgas zwischen 0,5 u_mf und 1,4 u_mf, wobei u_mf die minimal zur Fluidisierung des Bettes erforderliche Gasgeschwindigkeit darstellt. The operating states alternate cyclically between a fluidization and a separation phase (CVD phase) ( FIG. 2). During the CVD phase, the gas velocity of the mixture of inert gas and silicon source gas entering the reactor is between 0.5 _umf and 1.4 _umf , where u _{mf is} the minimum gas velocity required to fluidize the bed.

Da die Gasgeschwindigkeit auf weniger als 1/3 einer üblichen Wirbelschicht reduziert ist, ist die Verweilzeit im Reaktor entsprechend größer. Since the gas velocity is reduced to less than 1/3 of a usual fluidized bed, it is Residence time in the reactor is correspondingly longer.

Das Gasgemisch wird mit einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des verwendeten Siliciumquellgases in den Reaktor eingeleitet. Bei Verwendung von Silan als Quellgas sollte die Eintrittstemperstur in die nicht bzw. nur wenig fluidisierte Wirbelschicht nicht über 250°C liegen. Während des CVD-Prozesses kühlt sich der untere Teil des Reaktors im Zentrum ab, da der Wämeeintrag durch die Si-Schüttung im nicht fluidisierten Zustand stark eingeschränkt ist (Fig. 3). Mit zunehmender Abkühlung im unteren Teil der Si-Schüttung verlagert sich der CVD-Prozeß in den oberen Bereich der Schüttung, da im unteren Teil die Zersetzungsrate mit der Temperatur sinkt. Da sich die Si-Partikel nicht oder nur wenig relativ zueinander bewegen, neigen die Partikel nach einer längeren CVD-Phase zum Verkleben. Es ist daher erforderlich den CVD-Prozeß zyklisch zu unterbrechen und das Si-Bett kurzzeitig mit Inertgas, vorzugsweise Wasserstoff zu fluidisieren. The gas mixture is introduced into the reactor at a temperature below the decomposition temperature of the silicon source gas used. If silane is used as the source gas, the entry temperature into the fluidized bed, which is not or only slightly fluidized, should not exceed 250.degree. During the CVD process, the lower part of the reactor cools down in the center, since the heat input is severely restricted by the Si bed in the non-fluidized state ( FIG. 3). With increasing cooling in the lower part of the Si bed, the CVD process shifts to the upper area of the bed, since in the lower part the decomposition rate decreases with temperature. Since the Si particles do not move or only move relatively little to one another, the particles tend to stick after a longer CVD phase. It is therefore necessary to interrupt the CVD process cyclically and to fluidize the Si bed briefly with inert gas, preferably hydrogen.

Durch das Fluidisieren werden die während der CVD-Phase entstandenen Temperaturgradienten zum Teil ausgeglichen. An die Fluidisierungsphase schließt sich die nächste CVD-Phase an. Die Zyklusdauer liegt je nach Quellgas und Quellgaskonzentration im Bereich von 1-20 min. Der Durchmesser des Siliciumgranulats im stationären sollte Zustand mindestens 3 Größenordnungen größer sein als der bei der homogenen Zersetzung entstehende Feinstaub. Durch die Verwendung eines groben Granulats mit einer Größe von 1 bis 5 mm kann die Triebkraft zum Versintern der Partikel während der nicht fluidisierten Phase erheblich gesenkt werden. Hälse, die sich durch Verkleben mit Feinstaub zwischen groben Granulatkörnern gebildet haben, werden durch den Implus beim Fluidisieren des groben Granulats wieder zerstört. The temperature gradients created during the CVD phase become fluidized partially balanced. The next CVD phase follows the fluidization phase. The Cycle time is in the range of 1-20 min depending on the source gas and source gas concentration. The Diameter of the silicon granules in the stationary state should be at least 3 orders of magnitude be larger than the fine dust produced during homogeneous decomposition. By using it A coarse granulate with a size of 1 to 5 mm can be the driving force for sintering the Particles are significantly reduced during the non-fluidized phase. Necks that stand out Gluing with fine dust between coarse granules are formed by the Implus destroyed again when fluidizing the coarse granulate.

Als Siliciumquellgas sollte bei der erfindungsgemäßen zweistufigen Prozeßführung vorzugsweise Silan verwendet werden, da die Zersetzung bereits bei relativ niedrigen Temperaturen beginnt und damit die Temperaturen im Silicium-Bett auf 400-650°C beschränkt werden kann. The silicon source gas should preferably be used in the two-stage process control according to the invention Silane can be used because the decomposition begins at relatively low temperatures and so that the temperatures in the silicon bed can be limited to 400-650 ° C.

Der Wärmeeintrag in die Schüttung erfolgt zu einem Teil durch die Reaktorwand zum anderen Teil durch eine Volumenheizung. Die Wandbeheizung (3) kann durch eine Widerstandsheizung und die Volumenheizung durch Mikrowellen im oberen Bereich der Schüttung erfolgen. Eine Wandbeheizung ist allein nicht ausreichend, da durch die fehlende Fluidisierung der Wärmeeintrag durch die Schüttung zu gering ist. Ein Teil der Wärme wird daher im oberen Bereich der Schüttung mit Mikrowellen der Frequenz 915 MHz eingekoppelt (1). Die Einkopplung erfolgt durch einen oder mehrere Hohlleiter, die mit einem mikrowellendurchläßigen Fenster versehen sind. Durch das Fenster wird verhindert, daß Siliciumpartikel oder Prozeßgase in den Bereich der Mikrowellenquelle gelangen. Um Siliciumabscheidungen auf dem Fenster auch bei langen Betriebszeiten zu verhindern, wird im Bereich des Fensters ein starker kalter Sperrgasstrom (2), vorzugsweise Wasserstoff eingespeist. Der Sperrgasstrom sollte ausreichen, um den aus dem Reaktor austretenden Gasstrom mit einer Restbelastung an Feinstaub deutlich abzukühlen, bevor der Gesamtstrom den Reaktor verläßt (7). The heat input into the bed takes place partly through the reactor wall and partly through volume heating. The wall heating ( 3 ) can be carried out by resistance heating and the volume heating by microwaves in the upper region of the bed. Wall heating alone is not sufficient because the lack of fluidization means that the heat input from the bed is too low. Part of the heat is therefore coupled in at the top of the bed with microwaves of the frequency 915 MHz ( 1 ). The coupling takes place through one or more waveguides, which are provided with a microwave-permeable window. The window prevents silicon particles or process gases from reaching the area of the microwave source. In order to prevent silicon deposition on the window even during long operating times, a strong cold sealing gas stream ( 2 ), preferably hydrogen, is fed in in the area of the window. The sealing gas stream should be sufficient to significantly cool the gas stream leaving the reactor with a residual load of fine dust before the total stream leaves the reactor ( 7 ).

Da die Eindringtiefe der MW-Strahlung bei Prozeßtemperatur bei dieser Frequenz begrenzt ist, wird nur der obere Bereich der Schüttung mit Mikrowellen direkt beheizt. Since the penetration depth of the MW radiation at process temperature is limited at this frequency only the upper area of the bed is directly heated with microwaves.

Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten die homogene Zersetzung und damit die unerwünschte Bildung von Feinstaub zu Gunsten einer heterogenen Abscheidung auf den schon vorhandenen Siliciumoberflächen zu unterdrücken. Durch eine Reduzierung der SiH₄-Konzentration kann die Selektivität zugunsten der CVD-Abscheidung verbessert werden, jedoch erhöht sich der spezifische Energiebedarf. There are basically two options for suppressing homogeneous decomposition and thus the undesirable formation of fine dust in favor of heterogeneous deposition on the silicon surfaces already present. By reducing the SiH ₄ concentration, the selectivity can be improved in favor of the CVD deposition, but the specific energy requirement increases.

Durch eine Reduzierung der Betttemperatur kann die homogene Zersetzung ebenfalls unterdrückt werden, wobei die Umsatzrate reduziert wird und sich damit die notwendige Verweilzeit bis zur vollständigen Pyrolyse erhöht. The homogeneous decomposition can also be suppressed by reducing the bed temperature be, whereby the turnover rate is reduced and thus the necessary residence time until complete pyrolysis increased.

Während das Temperaturprofil im herkömmlichen Wirbelschichtreaktor über die Betthöhe nahezu konstant ist, erfolgt sie Silanpyrolyse bei dem vorgeschlagenen Reaktorkonzept im ausgeprägten Temperaturgradienten. While the temperature profile in the conventional fluidized bed reactor almost over the bed height is constant, it takes place in the pronounced reactor pyrolysis in the proposed reactor concept Temperature gradient.

Bei den Wirbelschichtverfahren gemäß dem Stand der Technik ist die Zersetzungsrate im untersten Bereich des Reaktors am höchsten, da das Silan-Wasserstoffgemisch durch den guten Wärmeübergang in der Wirbelschicht bereits nach kürzester Zeit die Temperatur des Si-Granulats (ca. 650°C) erreicht. Da die Silankonzentration direkt nach dem Gasverteiler jedoch am höchsten ist, entsteht ein erheblicher Feinstaubanteil. Dieser Feinstaub ist aufgrund seiner geringen Korngröße sehr sinteraktiv und neigt zum Verkleben mit den größeren Granulatpartiken. Die hohen Fluidisierungsgeschindigkeiten führen darüber hinaus zur Bildung großer Blasen, die im oberen Bereich der Wirbelschicht den Durchmesser des Reaktors erreichen (stoßende Wirbelschicht). Aufgrund des eingeschränkten Gasaustausches zwischen der Emulsionsphase und den Basen zersetzt sich das Silan in den Blasen ebenfalls vorzugsweise homogenen. In the fluidized bed processes according to the prior art, the decomposition rate is at the lowest Area of the reactor highest, because the silane-hydrogen mixture by the good Heat transfer in the fluidized bed quickly increases the temperature of the Si granulate (approx. 650 ° C) reached. However, since the silane concentration is highest directly after the gas distributor there is a considerable amount of fine dust. This fine dust is due to its low Grain size is very sinter-active and tends to stick to the larger granulate particles. The high Fluidization rates also lead to the formation of large bubbles in the upper one Area of the fluidized bed reach the diameter of the reactor (impacting fluidized bed). Due to the limited gas exchange between the emulsion phase and the bases the silane in the bubbles also preferably decomposes homogeneously.

Durch die Pyrolyse im Temperaturgradienten entsprechend Fig. 3 wird im unteren Bereich des Reaktors das Gemisch mit der höchsten Silankonzentration bei niedriger Betttemperatur pyrolysiert. Die Grautöne in Fig. 3 veranschaulichen qualitativ den Temperaturverlauf im Reaktor während der CVD-Phase, wobei die helleren Töne eine niedrigere Temperatur symbolisieren. Durch die zunehmende Zersetzung des Silans über die Betthöhe reduziert sich entsprechend die SiH₄- Konzentration, so daß trotz der nach oben ansteigenden Temperatur der Staubanteil nicht ansteigt (siehe Fig. 4). The pyrolysis in the temperature gradient according to FIG. 3 pyrolyses the mixture with the highest silane concentration at a low bed temperature in the lower region of the reactor. The gray tones in FIG. 3 qualitatively illustrate the temperature profile in the reactor during the CVD phase, the lighter tones symbolizing a lower temperature. The increasing decomposition of the silane over the bed height reduces the SiH ₄ concentration accordingly, so that the dust content does not increase despite the rising temperature (see FIG. 4).

Eine Silan-Pyrolyse im ausgeprägten Temperaturgradienten ist bereits von Iya [10] vorgeschlagen worden. Im Verfahrensvorschlag von Iya wird ebenfalls der Hauptteil der erforderlichen Heizleistung im oberen Bereich des Si-Bettes z. B. durch eingebaute Heizelemente eingespeist, während der Boden und der untere Teil des Reaktors aktiv unterhalb der Zersetzungstemperatur gekühlt wird. Durch diese Kombination von Heizung und Kühlung mit dem resultierenden axialen und radialen Temperaturprofil soll ebenfalls die Staubbildung und Ablagerungen an der Reaktorwand vermieden werden. Da der Temperaturgradient jedoch in der Wirbelschicht aufrecht erhalten werden soll, sind sehr hohe Heiz- und Kühlleistungen erforderlich, die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens einschränken. Iya [10] has already proposed silane pyrolysis in a pronounced temperature gradient Service. Iya's procedural proposal also makes most of the necessary Heating output in the upper area of the Si bed z. B. fed by built-in heating elements, while the bottom and bottom of the reactor are actively below the decomposition temperature is cooled. This combination of heating and cooling with the resulting axial and radial temperature profile should also dust and deposits on the Reactor wall can be avoided. However, since the temperature gradient is upright in the fluidized bed very high heating and cooling capacities are required, which the Limit the economics of the process.

Erst durch die Unterbrechung der Fluidisierung während der CVD-Phase und dem dadurch stark reduzierten Wärmeaustausch kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Temperaturgradient ohne zusätzlichen Energieaufwand eingestellt werden. Only through the interruption of the fluidization during the CVD phase and therefore strong Reduced heat exchange can be the temperature gradient in the inventive method can be set without additional energy expenditure.

Eine Feinstaubbildung kann jedoch auch bei der vorgeschlagenen Prozeßführung nicht vollständig vermieden werden. Da der Reaktor während der CVD-Phase nicht fluidisiert ist, und die Gasgeschwindigkeit gering ist, hat das Si-Bett jedoch eine ausgeprägte Filterwirkung für den Feinstaub. Der Austrag von Feinstaub ist damit erheblich eingeschränkt. However, fine dust formation cannot be complete even with the proposed process control be avoided. Since the reactor is not fluidized during the CVD phase, and the Gas velocity is low, the Si bed has a pronounced filter effect for the Particulate matter. The discharge of fine dust is therefore considerably restricted.

Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber den bekannten Wirbelschichtprozessen besteht darin, daß weder Feinstaub noch Silan im Bereich des Bettes an die Reaktorwand gelangt. Nur hierdurch kann gewährleistet werden, daß ein Zuwachsen des Reaktors im Laufe des Prozesses sicher vermieden wird. Die äußeren Bereiche des Si-Bettes haben damit während der CVD-Phase vorrangig die Aufgabe die Wand vor Ablagerungen zu schützen. Another advantage of the proposed method over the known ones Fluid bed processes consist in that neither fine dust nor silane in the area of the bed Reactor wall arrives. This is the only way to ensure that the reactor grows is safely avoided in the course of the process. The outer areas of the Si bed thus have During the CVD phase, the primary task is to protect the wall from deposits.

Da die Reaktorwände nicht wie bei den bekannten Wirbelschichtprozessen abrasiv belastet sind, wird auch die Werkstoffauswahl deutlich vereinfacht. Vorgeschlagen wird den Reaktormantel aus Graphit-Segmenten zu fertigen, die im eingebauten Zustand siliziert werden, um einen C-Eintrag in das Produkt zu vermeiden. Since the reactor walls are not subjected to abrasive loads as in the known fluidized bed processes, the choice of materials is also significantly simplified. The reactor jacket is suggested To produce graphite segments that are siliconized in the installed state to a C entry in to avoid the product.

Da die im Kreislauf gefahrende Wasserstoffmenge reduziert wird, erniedrigt sich entsprechend die erforderliche Heizleistung für den Reaktor. Auch die Kühlleistung für den Reaktorboden kann reduziert werden, da der Wärmeübergang der Schüttung wesentlich schlechter ist als vom fluidisierten Bett. Since the amount of hydrogen circulating is reduced, the amount of hydrogen decreases accordingly required heating power for the reactor. The cooling capacity for the reactor floor can also be reduced because the heat transfer of the bed is much worse than from fluidized bed.

Keimpartikel werden dem Bett kontinuierlich im oberen Bereich des Reaktors(8) zugesetzt, und Produkt-Granulat wird dem Prozeß jeweils während der Fluidisierungsphase aus dem unteren Bereich des Reaktors (9) entnommen. Bezugszeichenliste 1 Mikrowellenquelle
2 Sperrgasstrom
3 Wandbeheizung
4 Begasungseinrichtung
5 Siliciumquellgaszufuhr
6 Wasserstoffzufuhr
7 Reaktorausgang
8 Zufuhr von Keimpartikeln
9 Produktentnahme
10 Siliciumgranulat-Bett

Literatur [1] H. Y. Kim et al., "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von polykristallinem Silicium", DE 43 27 308 A1, 1995
[2] H. Y. Kim, F. Schreieder, "Verfahren zur Herstellung von hochreinem Siliciumgranulat", DE 197 35 378 A1, 1999
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[9] E. A. Mariani et al., "Slot line Characteristics", IEEE Trans., MTT-17, 1996, 1091-1096
[10] S. K. Iya, "Zone heating for fluidized bed silane pyrolysis", US-Pat 4684513, Union Carbide Corporation, 1987 Germ particles are continuously added to the bed in the upper region of the reactor ( 8 ), and product granules are removed from the process during the fluidization phase from the lower region of the reactor ( 9 ). LIST OF REFERENCES 1 microwave source
2 sealing gas flow
3 wall heating
4 fumigation equipment
5 Silicon source gas supply
6 hydrogen supply
7 reactor outlet
8 Delivery of germ particles
9 Product removal
10 silicon granulate bed

Literature [1] HY Kim et al., "Method and device for producing polycrystalline silicon", DE 43 27 308 A1, 1995
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Claims

1. A process for the production of high-purity silicon granules by decomposing a silicon source gas in a bed of silicon particles, characterized in that the process runs cyclically in two phases, the gas mixture flowing into the reactor not or only slightly fluidizing the silicon bed in the first deposition phase and in the second phase the bed is fluidized in order to avoid sticking of the bed and to reduce temperature inhomogeneities in the bed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the deposition phase in which the Silicon source gas is preferably deposited heterogeneously on existing silicon particles each takes 30 sec to 30 min, preferably 1-10 min.

3. The method according to claim 1, characterized in that the fluidization phase in which the silicon bed is preferably whirled up with a stream of hydrogen for 10 seconds to 2 minutes lasts.

4. The method according to claim 1, characterized in that in the deposition phase Gas velocity 0.5-1.4 times the minimum fluidization rate is.

5. The method according to claim 1, characterized in that during the fluidization phase the gas velocity 1-8 times the minimum fluidization velocity, is preferably 2-4 times.

6. The method according to claim 1, characterized in that the diameter Height ratio of the silicon bed in the non-fluidized state between 1 and 6 is preferably between 2-4.

7. The method according to claim 1, characterized in that at least part of the for Decompose the necessary energy to the silicon preferably in the upper area of the bed is supplied in volume.

8. The method according to claim 7, characterized in that the energy with microwaves in the silicon bed is coupled.

9. The method according to claim 8, characterized in that microwave radiation in the frequency range between 415 MHz and 28 GHz, preferably the frequencies 2 , 45 GHz or 915 MHz is used.

10. The method according to claim 8, characterized in that the microwaves by one or several waveguides can be fed in the upper area of the reactor (discharge zone).

11. The method according to claim 10, characterized in that in the waveguide Microwave-permeable windows are used, which prevented gases and particles from reach the reactor through the waveguide in the direction of the microwave sources.

12. The method according to claim 10 and 11, characterized in that in front of the window preferably hydrogen is introduced as a sealing gas stream in order to separate Silicon on the window and thus an impairment of the microwave coupling prevent.

13. The method according to claim 12, characterized in that the sealing gas stream is colder than the gas and particle flow emerging from the bed and is clearly sufficient cool.

14. The method according to claim 7, characterized in that in the upper region of the silicon Bed of hydrogen chloride is introduced and the reaction exothermic Volume heating of the bed is used.

15. The method according to claim 7, characterized in that the energy inductively into the Silicon bed is coupled.

16. The method according to claim 7, characterized in that the energy capacitively in the Silicon bed is coupled.

17. The method according to claim 1, characterized in that preferably silane (SiH ₄ ) or trichlorosilane is used as the silicon source gas.

18. The method according to claim 1, characterized in that a bed in the reactor Silicon granules with an average grain size of 0.5-5 mm, preferably between 0.5 -2 mm is located.

19. The method according to claim 1 to 18, characterized in that the reactor Silicon seed particles are continuously supplied in the upper area.

20. The method according to claim 1, characterized in that the reactor during each product particles in the lower region of the reactor are removed from the fluidization phase become.

21. The method according to claim 1, characterized in that the gassing zone by a cooled perforated or nozzle bottom is executed.

22. The method according to claim 1 and 21, characterized in that the diameter of the Fumigation zone in the center of the reactor floor 30 to 70% of the reactor diameter is.

23. The method according to claim 1, characterized in that the silicon source gas in one Mixture with a gas inert in the reaction, preferably hydrogen becomes.

24. The method according to claim 1 and 23, characterized in that the concentration of Silicon source gas in the gas mixture supplied between 2 and 40%, preferably is between 5 and 15%.

25. The method according to claim 1, characterized in that during the Fluidization phase the silicon particles in the immediate vicinity of the reactor wall or not only be fluidized to a small extent.

26. The method according to claim 1, characterized in that during the Deposition phase in the reactor a radial and axial temperature gradient in the silicon bed forms, the temperature range of the gas distributor for the respective Silicon source gas is relatively low and therefore the use of higher Source gas concentrations enables, without causing the increased formation of fine dust comes.

27. The method according to claim 1 and 26, characterized in that the temperature in the upper area is so high that the almost complete decomposition of the silane is ensured.

28. The method according to claim 1, 26 and 27, characterized in that in use of silane-hydrogen mixtures the temperature in the lower part of the reactor between 300-600 ° C, preferably between 400 and 550 ° C and in the upper range between 550 and 700 ° C is.

29. The method according to claim 1, characterized in that the inner reactor jacket Graphite is manufactured, which is siliconized in a conditioning phase.

30. The method according to claim 1, characterized in that the inner reactor jacket a high-alloy steel or a nickel-based alloy.