某些反應(yīng)器要求將加工氣體加熱以便在反應(yīng)器中使用。反應(yīng)器可包括襯托器疊堆，在其中加工氣體被加熱并彼此發(fā)生反應(yīng)。需要這類加熱的反應(yīng)器的一個具體類型涉及使用四氯硅烷(SiCl4)和氫氣(H2)在高溫下制備三氯硅烷(SiHCl3)和氯化氫，以促進四氯硅烷的氫化反應(yīng)。所得三氯硅烷可用于制備，或經(jīng)過純化以最終制備高純度(例如電子級和/或太陽能級)多晶硅(polysilicon)。

為獲得上述反應(yīng)，使用位于襯托器外部的加熱器元件來加熱加工氣體。加熱器元件加熱襯托器的外壁，并且通過輻射和對流能實現(xiàn)熱傳遞。熱能隨后通過對流熱傳遞和傳導熱傳遞傳導穿過襯托器壁并進入加工氣體。

上述位于外部的加熱器元件導致大概一半的輻射熱是真正面向襯托器疊堆生成的，因此導致低于最佳熱傳遞效率。此外，加熱器元件在上述配置中的運行要求將加熱器元件維持在一定溫度，該溫度導致結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加，從而縮短了部件壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)一個示例性實施例，一種用于反應(yīng)器的襯托器構(gòu)造包括加熱器元件，該加熱器元件被配置為加熱在反應(yīng)器中使用的加工氣體。該襯托器構(gòu)造還包括內(nèi)部襯托器部分，該內(nèi)部襯托器部分位于加熱器元件徑向向內(nèi)的位置并被配置為引導其中的加工氣體沿著徑向內(nèi)部加工氣體路徑。該襯托器構(gòu)造還包括外部襯托器部分，該外部襯托器部分位于加熱器元件徑向向外的位置并被配置為引導其中的加工氣體沿著徑向外部加工氣體路徑， 其中徑向內(nèi)部加工氣體路徑和徑向外部加工氣體路徑流體聯(lián)接并且基本上與加熱器元件流體分離。

根據(jù)另一個示例性實施例，提供了一種加熱加工氣體以用于反應(yīng)器的方法。該方法包括加熱位于加熱器區(qū)域內(nèi)的加熱器元件，其中加熱器區(qū)域至少部分地由外部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和末端襯托器部分限定。該方法還包括引導加工氣體通過由外部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和末端襯托器部分限定并延伸通過外部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和末端襯托器部分的加工氣體路徑，其中加工氣體路徑與加熱器元件流體分離。

附圖說明

視為本發(fā)明的主題被特別指出并且在說明書結(jié)尾部分的權(quán)利要求書中進行了明確要求。根據(jù)以下結(jié)合附圖所做的詳細說明，本發(fā)明的上述和其他特征以及優(yōu)點將變得顯而易見，其中：

圖1是反應(yīng)器的末端部分示意圖；以及

圖2為沿著圖1的線A-A截取的反應(yīng)器的剖視圖。

具體實施方式

參見圖1和圖2，它們示意性地示出了反應(yīng)器10的一部分。雖然本文所公開的實施例可采用許多類型的設(shè)想的反應(yīng)器，但所述實施例特別有利地用于與四氯化硅(也稱為四氯硅烷)的氫化相關(guān)的反應(yīng)器。這類反應(yīng)器包括將氫氣與四氯硅烷在高于約600℃的溫度下接觸的方法。反應(yīng)的氫氣與四氯硅烷的組合一起被稱為加工氣體，但應(yīng)認識到，加工氣體也可包含一種或多種其他氯硅烷(例如三氯硅烷)、氯化氫、聚硅烷(例如六氯二硅烷)、氮氣、氬氣、甲烷和/或含碳氯硅烷(例如甲基三氯硅烷或甲基二氯硅烷)。已知四氯硅烷在高于約600℃的溫度下的氫化是使用反應(yīng)器進行該方法。通常，該方法在約800℃至1,400℃范圍內(nèi)的溫度下進行以提高運行效率，但可采用高達1,600℃的溫度。對本文中實施例的實踐而言，送入反應(yīng)器中的四氯硅烷或四氯硅烷和上述其他氯硅烷與氫氣的摩爾比不是關(guān)鍵的。如上所述，在高溫下，加工氣體的反應(yīng)使四氯硅烷氫化，以產(chǎn)生三 氯硅烷和氯化氫，其中三氯硅烷可用于制備具有作為電子級和太陽能級部件價值的多晶硅(polysilicon)。

反應(yīng)器10包括襯托器構(gòu)造12，該襯托器構(gòu)造12在氫氣和四氯硅烷之間發(fā)生反應(yīng)期間容納加工氣體14。這樣，加工氣體14被引導通過該襯托器構(gòu)造以進行加熱和反應(yīng)。襯托器構(gòu)造12包括具有第一內(nèi)部襯托器壁18和第二內(nèi)部襯托器壁20的內(nèi)部襯托器部分16。第一內(nèi)部襯托器壁18和第二內(nèi)部襯托器壁20限定了加工氣體路徑，該加工氣體路徑是整體加工氣體流體通道回路的一部分，其中該加工氣體路徑在本文中被稱為徑向內(nèi)部加工氣體路徑22。襯托器構(gòu)造12還包括具有第一外部襯托器壁26和第二外部襯托器壁28的外部襯托器部分24。第一外部襯托器壁26和第二外部襯托器壁28限定了加工氣體路徑，該加工氣體路徑是整體加工氣體流體通道回路的一部分，其中該加工氣體路徑在本文中被稱為徑向外部加工氣體路徑30。末端襯托器部分32位于靠近襯托器構(gòu)造12的末端位置，并且限定了與徑向外部加工氣體路徑30和徑向內(nèi)部加工氣體路徑22流體聯(lián)接的末端加工氣體路徑34。襯托器構(gòu)造12可以許多構(gòu)型形成。在示例性圖示實施例中，襯托器構(gòu)造12具有大致圓柱形的幾何形狀并且末端襯托器部分32位于靠近整體結(jié)構(gòu)的頂部，但應(yīng)認識到，末端襯托器部分32可指底部位置，或頂部和底部之間的一些區(qū)域，只要末端加工氣體路徑34與徑向外部加工氣體路徑30和徑向內(nèi)部加工氣體路徑22流體聯(lián)接。

襯托器構(gòu)造12是由適用于高溫反應(yīng)器的材料構(gòu)造而成。例如，襯托器構(gòu)造12可由石墨、涂覆碳化硅的石墨、涂覆碳化硅的碳纖維、基于碳化硅的化合物(包括碳化硅)或它們的組合形成。前述列舉僅為舉例說明，并非旨在進行限制。

不考慮用于形成襯托器構(gòu)造12的精確材料，內(nèi)部襯托器部分16位于外部襯托器部分24徑向向內(nèi)的位置，兩者之間存在一定間隔。更具體地講，第二內(nèi)部襯托器壁20被設(shè)置于第一內(nèi)部襯托器壁18徑向向外的位置，第一外部襯托器壁26被設(shè)置于第二內(nèi)部襯托器壁20徑向向外的位置，并且第二外部襯托器壁28被設(shè)置于第一外部襯托器壁26徑向向外的位置。位于內(nèi)部襯托器部分16和外部襯托器部分24之間的是加熱器元件36。具體地講，加熱器元件36位于第二內(nèi)部襯托器壁20和第一外部襯托 器壁26之間。這樣，加熱器元件36被設(shè)置在襯托器構(gòu)造12的內(nèi)部位置，該內(nèi)部位置在本文中被稱為加熱器區(qū)域38。

加熱器元件36可由許多種合適的材料形成，包括諸如碳、石墨或涂覆碳化硅的碳復合物。加熱器元件36的構(gòu)型通常是與內(nèi)部襯托器部分16和外部襯托器部分24的幾何形狀相似的圓柱形結(jié)構(gòu)。在圖示實施例中，加熱器元件36從靠近襯托器構(gòu)造12底部部分40的位置延伸至靠近末端襯托器部分32的位置。應(yīng)認識到，加熱器元件36的高度可與圖示的高度不同，但通常按所示的方式延伸，這優(yōu)化了從加熱器元件36到加工氣體14的熱傳遞，如下面將詳述的那樣。雖然加熱器元件36被稱為和圖示為單個一體結(jié)構(gòu)，但應(yīng)認識到，加熱器元件36可由多個零部件形成，以形成整體結(jié)構(gòu)。

在一些實施例中，加熱器元件36被定位在加熱器區(qū)域38內(nèi)的距離第二內(nèi)部襯托器壁20和第一外部襯托器壁26基本上相等距離的位置，以優(yōu)化到在徑向外部加工氣體路徑30和徑向內(nèi)部加工氣體路徑22內(nèi)流動的加工氣體14的熱傳遞。這種定位通常有利于將熱基本上等量地分配到加工氣體14，但某些實施例可使用可選定位以實現(xiàn)基本上等量的熱分布。此外，可能需要傳遞更多熱至內(nèi)部襯托器部分16或外部襯托器部分24。因此，加熱器元件36的精確位置可取決于具體應(yīng)用而不同。不論加熱器元件36相對于內(nèi)部襯托器部分16和外部襯托器部分24的確切位置，外部襯托器部分24包括至少一個開口42，電極44可被引導通過所述開口42。為產(chǎn)生可被傳遞至加工氣體14的熱，將電極44與外部能量源(未示出)連接并電連接到加熱器元件36。在圖示實施例中，提供了兩個開口42以允許連接兩個電極44。設(shè)想采用更多或更少的電極和開口來將外部能量源電連接到加熱器元件36。具體地講，可在任何位置提供2至10個開口以允許連接2至10個相應(yīng)電極，但更通常地提供2至4個開口以允許連接2至4個相應(yīng)電極。

圖2示出了加工氣體14被引導通過的流體通道，即徑向外部加工氣體路徑30、末端加工氣體路徑34和徑向內(nèi)部加工氣體路徑22。根據(jù)加熱器元件36的定位，來自加熱器元件36的輻射熱傳遞基本上均勻地分配到上述路徑部分。輻射熱被傳導通過第一外部襯托器壁26、第二內(nèi)部襯托器壁20和內(nèi)部端部壁46。加工氣體14流體通道內(nèi)的輻射熱傳遞和對流熱 傳遞隨后被傳遞至加工氣體14以將其加熱。與將加熱器元件36定位在襯托器構(gòu)造12的外部相反，基于襯托器構(gòu)造12內(nèi)加熱器元件36的圍繞性質(zhì)將所有熱傳遞導引至加工氣體14。

加熱器區(qū)域38內(nèi)的加熱器元件36與反應(yīng)性加工氣體14基本上流體分離。這延長了加熱器元件36的使用壽命。術(shù)語“基本上”是基于小量加工氣體滲入加熱器區(qū)域38的事實而采用，應(yīng)當理解，設(shè)想的小滲漏量不會導致本文所述的實施例不能用于預期目的。為進一步加強流體分離，用加熱器元件保護性流體47吹掃加熱器區(qū)域38。該吹掃增加了加熱器區(qū)域38內(nèi)的壓力并降低了任何加工氣體14直接接觸加熱器元件36的可能性。加熱器元件保護性流體47可包含氣態(tài)四氯化硅、三氯硅烷、二氯硅烷、單氯硅烷、氮氣、氬氣和氯化氫中的至少一種。在一些實施例中，加熱器元件保護性流體47只含或主要為四氯硅烷。根據(jù)導致上述保護性流體比氫氣更不易與典型加熱器元件材料發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)來對保護性流體加以選擇。通常，大多數(shù)加工氣體為氫氣，但這不是必須的。氫氣已被證明對加熱器元件材料極為有害，因此需要降低或避免氫氣滲漏進加熱器區(qū)域。前述列舉僅為舉例說明，并非旨在進行限制。除加熱器元件保護性流體47以外或作為其替代，加熱器區(qū)域38可以一些其他合適的方式加壓。不論以何種方式實現(xiàn)加壓，通常加熱器區(qū)域38內(nèi)的壓力大于加工氣體14的反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力，使得加熱器元件保護性流體47更可能滲漏到反應(yīng)區(qū)，而不是加工氣體14滲漏進加熱器區(qū)域36。

為在所需位置包含盡量多的熱能，可將隔熱罩48(圖2)固定在襯托器構(gòu)造12徑向向外的位置。具體地講，如圖所示，隔熱罩48可位于第二外部襯托器壁28徑向向外的位置。隔熱罩48將熱反射回襯托器構(gòu)造12以增大加熱器元件36的熱傳遞效率。為增強該組件的反射特性，可將絕熱材料沿著隔熱罩48的外表面放置。

有利的是，上述反應(yīng)器10的實施例，并且更具體地講襯托器構(gòu)造12和加熱器元件36，使得與具有定位在外部的加熱器元件36的實施例中的最高溫度相比，加熱器能夠在更低的最高溫度下運行。這要歸因于到加工氣體14的更高效的熱傳遞，由此降低了對加熱器元件36的要求。在較低的溫度下運行減少了加熱器元件材料的損壞并減緩了加熱器元件36隨時間推移所將要發(fā)生的故障。此外，建模證明，本文所述的實施例將加熱器 元件36內(nèi)的溫度梯度比位于外部的加熱器元件降低了大概30％。這是有益的，因為加熱器的不同部分發(fā)生不同的膨脹，這會導致熱梯度將應(yīng)力引入加熱器中。因此，較低的熱梯度顯著減少了相關(guān)的應(yīng)力并導致加熱器元件36具有更長使用壽命。

本文所公開的結(jié)構(gòu)和方法包括至少以下實施例：

實施例1：一種用于反應(yīng)器的襯托器構(gòu)造，其包括加熱器元件，該加熱器元件被配置為加熱在反應(yīng)器中使用的加工氣體。該襯托器構(gòu)造還包括內(nèi)部襯托器部分，該內(nèi)部襯托器部分位于加熱器元件徑向向內(nèi)的位置并被配置為引導其中的加工氣體沿著徑向內(nèi)部加工氣體路徑。該襯托器構(gòu)造還包括外部襯托器部分，該外部襯托器部分位于加熱器元件徑向向外的位置并被配置為引導其中的加工氣體沿著徑向外部加工氣體路徑，其中徑向內(nèi)部加工氣體路徑和徑向外部加工氣體路徑流體聯(lián)接并且基本上與加熱器元件流體分離。

實施例2：根據(jù)實施例1的襯托器構(gòu)造，其中內(nèi)部襯托器部分包括第一內(nèi)部襯托器壁和第二內(nèi)部襯托器壁，第一內(nèi)部襯托器壁和第二內(nèi)部襯托器壁限定徑向內(nèi)部加工氣體路徑，其中外部襯托器部分包括第一外部襯托器壁和第二外部襯托器壁，第一外部襯托器壁和第二外部襯托器壁限定徑向外部加工氣體路徑。

實施例3：根據(jù)實施例1或2的襯托器構(gòu)造，還包括末端襯托器部分，該末端襯托器部分限定與徑向外部加工氣體路徑和徑向內(nèi)部加工氣體路徑流體聯(lián)接的末端加工氣體路徑。

實施例4：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中內(nèi)部襯托器部分和外部襯托器部分由石墨、涂覆碳化硅的石墨、涂覆碳化硅的碳纖維和基于碳化硅的復合物(包括碳化硅)中的至少一種形成。

實施例5：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，還包括由外部襯托器部分限定的至少一個開口，該開口被配置為將加熱器電極接納在其中。

實施例6：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中反應(yīng)器是氫化反應(yīng)器，該氫化反應(yīng)器被配置為通過將四氯硅烷和氫氣反應(yīng)產(chǎn)生三氯硅烷和氯化氫來制備三氯硅烷。

實施例7：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中加熱器元件被設(shè)置在由內(nèi)部襯托器部分和外部襯托器部分徑向限定的加熱器區(qū)域內(nèi)。

實施例8：根據(jù)實施例7的襯托器構(gòu)造，其中用加熱器元件保護性流體吹掃加熱器區(qū)域。

實施例9：根據(jù)實施例8的襯托器構(gòu)造，其中加熱器元件保護性流體是氣態(tài)四氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、單氯硅烷、氮氣、氬氣和氯化氫中的至少一種。

實施例10：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中加熱器元件被定位以向內(nèi)部襯托器部分和外部襯托器部分分配等量的熱。

實施例11：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中加熱器元件被定位在距離內(nèi)部襯托器部分和外部襯托器部分相等距離的位置。

實施例12：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中內(nèi)部襯托器部分、外部襯托器部分和加熱器元件各自為圓柱形。

實施例13：根據(jù)實施例3的襯托器構(gòu)造，其中末端襯托器部分位于靠近襯托器構(gòu)造的頂部區(qū)域。

實施例14：根據(jù)實施例13的襯托器構(gòu)造，還包括在外部襯托器部分和內(nèi)部襯托器部分之間延伸的底部襯托器部分，其中末端襯托器部分、底部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和外部襯托器部分包封加熱器元件。

實施例15：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，還包括設(shè)置于外部襯托器部分徑向向外的位置的隔熱罩。

實施例16：根據(jù)前述實施例中任一項的襯托器構(gòu)造，其中加工氣體包含大部分氫氣和小部分四氯硅烷、氯硅烷、氯化氫、聚硅烷和含碳氯硅烷中的至少一種。

實施例17：提供了一種加熱加工氣體以用于反應(yīng)器的方法。該方法包括加熱位于加熱器區(qū)域內(nèi)的加熱器元件，其中加熱器區(qū)域至少部分地由外部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和末端襯托器部分限定。該方法還包括引導加工氣體通過由外部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和末端襯托器部分限定并延伸通過外部襯托器部分、內(nèi)部襯托器部分和末端襯托器部分的加工氣體路徑，其中加工氣體路徑與加熱器元件流體分離。

實施例18：根據(jù)實施例17的方法，還包括用加熱器元件保護性流體吹掃加熱器區(qū)域，該加熱器元件保護性流體包含氣態(tài)四氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、單氯硅烷、氮氣、氬氣和氯化氫中的至少一種。

實施例19：根據(jù)實施例17的方法，還包括將來自加熱器元件的熱以等量方式分配到內(nèi)部襯托器部分和外部襯托器部分。

實施例20：根據(jù)實施例17的方法，還包括引導加工氣體沿著加熱器元件徑向向外和加熱器元件徑向向內(nèi)的區(qū)域通過加工氣體路徑。

單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括復數(shù)指代物，除非上下文明確地另外指出?！盎颉币庵浮昂?或”。當修飾語“約”結(jié)合數(shù)量使用時，包括所述值并且具有由上下文表達的意義(例如包括與具體數(shù)量的測量相關(guān)的誤差度)。符號“±10％”是指所示的測量可從所述值的負10％的量到正10％的量。用于相同組分或特性的所有范圍的端值均包括在內(nèi)且可獨立地組合(例如“小于或等于25重量％，或5重量％至20重量％的范圍”包括“5重量％至25重量％”范圍的端值和所有中間值，等等)。除較寬范圍之外還公開較窄范圍或更具體的組，并不表示放棄對較寬范圍或較大組的權(quán)利要求。

后綴“(一種或多種)”旨在包括其修飾的術(shù)語的單數(shù)和復數(shù)，因此包括該術(shù)語中的至少一種(例如，著色劑(一種或多種)包括至少一種著色劑)。“可選的”或“可選地”是指隨后描述的事件或情況可能或不能發(fā)生，而且指該描述包括在該事件發(fā)生的情況下的例子和在該事件沒有發(fā)生的情況下的例子。除非另外指出，否則本文所用的技術(shù)和科學術(shù)語都具有本發(fā)明所屬的領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的相同含義?！敖M合”包括共混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。

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雖然為了舉例說明而闡述了典型實施例，但上述說明不應(yīng)視為是對本文范圍的限制。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本文的精神和范圍的情況下可進行多種修改、改編和替代。