DE19521716C2 - Prozeßrohr mit Endverschluß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozeßrohr mit einem endseitigen Flansch für einen Prozeßofen in der Halbleiterherstellung.

Prozeßöfen dienen zur Behandlung von Gegenständen unter be­ stimmten vorgegebenen Prozeßbedingungen. Aus der Halblei­ tertechnik sind beispielsweise Prozeßöfen bekannt, mit denen Halbleiterscheiben unter vorgegebenen Druck- und Temperatur­ bedingungen prozessiert werden, um vorgegebene Schichten zu erzeugen. Beispielsweise können mit derartigen Öfen, die auch als Reaktoren bezeichnet werden, die Epitaxieschichten, Iso­ lationsschichten oder leitfähige Schichten auf der Halb­ leiterscheibe erzeugt werden. Diese Schichten werden übli­ cherweise durch Abscheidung aus einer Gasphase des abzuschei­ denden Materials hergestellt.

Insbesondere für die Herstellung von TEOS-, TEAS-, Nitrid- Siliziumoxid- oder Polysiliziumschichten werden derartige Re­ aktoren mit erniedrigtem Gasdruck betrieben. Schematische An­ ordnungen der Reaktoren oder Prozeßöfen sind beispielsweise aus der Veröffentlichung D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: Technologie hochintegrierter Schaltungen, Springer-Verlag, 1988, Seite 36 bekannt.

Grundsätzlich ist die Abdichtung eines Endverschlusses pro­ blematisch. Selbst für Öfen, die bei Temperaturen unterhalb 1000°C betrieben werden, ergibt sich für die Dichtung des Flansches ein Wärmeproblem. Obwohl der Flansch aufgrund eines auftretenden Temperaturgradienten nicht mehr den hohen Tempe­ raturen der inneren Prozeßkammer ausgesetzt ist, muß der Flansch gekühlt werden, da die bekannten Dichtungen, den z. B. bei Niedertemperaturöfen auftretenden flanschseitigen Tempe­ raturen bis 350°C nicht standhalten.

Die Kühlung des Flansches führt zu Kältezonen, die ihrerseits Ablagerungen bewirken, die je nach durchgeführtem Prozeß un­ terschiedlich, aber immer nachteilig sind. Diese Ablagerungen führen zu einem häufig notwendigem Austausch des Prozeßrohres und zu einer Erhöhung der Defektdichte auf den prozessierten Gegenständen, insbesondere den Halbleiterscheiben. Darüber hinaus ist bei bestimmten Prozessen, beispielsweise bei einer TEOS-Abscheidung die Prozeßstabilität durch den Temperatur­ gradienten zwischen Rohr und Flansch aufgrund der Flanschküh­ lung niedrig.

Neben der Dichtung betrifft ein anderes Problem der Flan­ schanbindung an das Prozeßrohr die Befestigung des Flansches. Üblicherweise werden Edelstahlschrauben eingesetzt, deren Ge­ winde bei längerem Betrieb verrieben werden bzw. anders aus­ gedrückt, die Schrauben fressen. Bei einem wie vorstehend ge­ schilderten notwendigen Austausch des Prozeßrohres können dann die Schrauben reißen, wodurch zusätzliche Reparaturko­ sten entstehen, und die Stillstandszeiten anwachsen.

US 1,936,815 offenbart eine Wärmetauschvorrichtung, insbeson­ dere zur Oberfächenkondensation von Dampf, in der eine Viel­ zahl von typischerweise einigen Tausend metallischen Röhren mit einem Ende in einer Röhrenplatte verankert sind. Zur Ver­ ankerung sind zwei metallische, ineinandergreifende keilför­ mige Dichtringe vorgesehen.

Das deutsche Gebrauchsmuster 88 06 626 offenbart eine Schraubverbindungsvorrichtung für ein Glasrohr mit einem An­ schlußrohr. An einem endseitigen Gewinde des Glasrohres ist eine Überwurfmutter angeordnet, in deren Innerem das An­ schlußrohr von drei Keilringen umgeben ist, die das Anschluß­ rohr nach dem Festschrauben der Überwurfmutter sichern.

Die deutsche Offenlegungsschrift 1 813 260 beschreibt ein Quarzrohr und einen endseitigen Flansch, zwischen deren End­ flächen eine nicht näher beschriebene Dichtung angeordnet ist. Der Außenmantel des Quarzrohres ist in Richtung der End­ fläche konisch erweitert. Um den Druck auf die Dichtung zwi­ schen dem Quarzrohr und dem Metallflansch auch bei höheren Temperaturen konstant zu halten, ist ein Mechanismus vorgese­ hen, der die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Quarz und Stahl ausgleicht. Dieser Mechanismus umgreift das konisch erweiterte Ende des Quarzrohres mit Hilfe von vier Keil­ ringsegmenten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prozeßrohr an­ zugeben, das eine verbesserte Abdichtung des endseitigen Ver­ schlusses ermöglicht.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert, die in den Figuren der Zeichnung darge­ stellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen ersten endseitigen Ver­ schluß eines horizontal angeordneten Prozeßrohres,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen zweiten endseitigen Ver­ schluß eines horizontal angeordneten Prozeßrohres,

Fig. 3 einen Querschnitt und eine Draufsicht auf einen Basis­ ring,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen ersten endseitigen Flansch gemäß Fig. 1,

Fig. 5 einen Querschnitt und eine Draufsicht auf eine Bajo­ nettklaue,

Fig. 6 Querschnitte durch einen Zylinder und einen darin ge­ führten Kolben,

Fig. 7 einen Querschnitt durch den keilförmigen Dichtring,

Fig. 8 Querschnitte durch verschiedene weitere Dichtungen,

Fig. 9 Querschnitte zur Erläuterung der Abdichtung des Flan­ sches gegen einen Deckel,

Fig. 10 einen Querschnitte durch einen zweiten endseitigen Flansch gemäß Fig. 2 und ein Detail zur Erläuterung der Abdichtung des Flansches gegen den Deckel,

Fig. 11 Querschnitte des Deckels und von Deckeldetails,

Fig. 12 einen Querschnitt durch einen dritten endseitigen Ver­ schluß für ein vertikal angeordnetes Prozeßrohr und

Fig. 13 Querschnitte durch Details der Fig. 12.

Gemäß Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen endseitigen Ver­ schluß eines horizontal angeordneten Prozeßrohres 1 darge­ stellt. Der Verschluß enthält einen Basisring 2, einen end­ seitigen Flansch 3 und einen keilförmigen Dichtring 4. Basis­ ring 2 und Flansch 3 sind mit Hilfe einer Preßvorrichtung mit den Elementen 5 bis 7 gegeneinander gepreßt.

Der Basisring 2, der in Fig. 3 detaillierter dargestellt ist, ist gegen den Außenmantel des Prozeßrohres mit einem Zen­ trierring 10 (Fig. 8d) abgedichtet, der in die Öffnung O10 (Fig. 3a) eingelegt ist. Am äußeren Umfang hat der Basisring einen Ba­ jonettanschluß 20. Der Basisring enthält weiterhin Öffnungen OF1 und OF2, in die Führungs- bzw. Zentrierstifte eingreifen können.

Der in Fig. 4 näher dargestellte Flansch 3 enthält am rohrsei­ tigen Ende eine schräg zur Rohrachse verlaufende Ringfläche RF, die in einem vorgegebenen Winkel W1 zur Rohrachse derart verläuft, daß mit dem Rohrmantel ein zum Rohrende hin ausge­ richteter keilförmiger Spalt entsteht. Der Flansch 3 enthält weiterhin eine Nase, an der ein Geräteanschluß 9 angesetzt werden kann, um die erforderlichen Prozeßgase abzuführen. In dem Bereich, der mit dem Ende des Prozeßrohres in Kontakt zu kommen hat, sind Nuten O11 und O12 vorgesehen, in die ein Einlegeband 11 bzw. ein Rohranschlag 12 als Dichtpuffer (Fig. 8c, b) für eine axiale bzw. radiale Abdichtung des Flansches zum Rohr eingebracht werden können.

An der vom Rohrende abgewandten Seite des Basisringes greift eine Klaue 5 an, die mit einer Schraube S an einem Zylinder 8 befestigt ist. Die in Fig. 5 näher dargestellte Klaue 5 ist bajonettförmig ausgebildet, um in das Bajonettgegenstück des Basisrings 2 eingreifen zu können. Die Klaue weist Öffnungen OS auf, durch die die Schrauben S zur Befestigung an dem Zy­ linder 6 geführt sind. Es ist nicht erforderlich, daß die Klaue einen umlaufenden Ring bildet.

Der in Fig. 6a näher dargestellte Zylinder hat eine Öffnung O7, in der ein Stahlringkolben 7 geführt ist. Auf die endsei­ tige Stirnfläche des Kolbens 7 drückt eine Dichtmanschette 8 als Dichtung, die in Fig. 8a) detailliert dargestellt ist. Der Zylinder 6 ist mit der Klaue 5 verschraubt. Durch einen Druckanschluß D läßt sich in die Kolbenführung O7 des Zylin­ ders 6 ein Druckgas, vorzugsweise Stickstoff einführen, das über die Dichtung 8 auf den Zylinder 7 wirkt.

Wie anhand der Zusammenstellungszeichnung der Fig. 1 erkennbar ist, greifen die Preßvorrichtung und der Basisring aufgrund des Bajonettverschlusses in engem Kontakt ineinander. Der Kolben 7 der Preßvorrichtung drückt bei Beaufschlagung des Zylinders mit einem Druckgas gegen ein Gegenstück G des Flan­ sches 3, so daß der Flansch 3 und der Basisring 2 relativ ge­ geneinander gedrückt werden. Dadurch wird der an der Ringflä­ che RF des Flansches angesetzte keilförmige Dichtring 4 in den zwischen den Flansch und dem Prozeßrohr gebildeten keil­ förmigen Spalt gepreßt.

Der Dichtring 4, der in Fig. 7 detailliert dargestellt ist, kommt mit seiner Sitzfläche SF1 mit der Ringfläche RF des Flansches und mit seiner Sitzfläche SF2 mit dem Außenmantel des Prozeßrohres 1 in Kontakt. Der Keilwinkel W2 des Dicht­ ringes 4 ist vorzugsweise kleiner als der Winkel W1, den die Ringfläche RF mit der Rohrachse einschließt. Beispielsweise kann W1 18° oder mehr betragen, während W2 17° beträgt. Der Dichtring 4 hat eine Druckfläche DF, die in einem Winkel W3 zur Normalen auf die Rohrachse geneigt ist, damit eine ent­ sprechende Preßfläche des Basisrings auf die Dichtung drücken kann. Vorzugsweise ist W2 gleich W3. Die Preßfläche PF des Basisrings 20 ist in einem Winkel W4 zur Normalen auf die Rohrachse geneigt, der W3 entspricht.

Der keilförmige Dichtring 4 enthält Polytetrafluorethylen mit dem Handelsnamen Teflon. Entweder ist der Dichtring rein aus Teflon oder aus Teflon mit einer Verstärkung aus glasfaser­ verstärktem Kunststoff. Gleiches gilt für die Dichtungen 8, 10, 11 und 12. Üblicherweise ist Teflon für Temperaturen bis 320°C spezifiziert. Teflon hat die Eigenschaft, bei höheren Temperaturen zunehmend zu fließen. Im Ausführungsbeispiel wird der keilförmige Dichtring 4 auch bei einem Fließen auf­ grund der Keilanordnung stärker in den keilförmigen Spalt zwischen Prozeßrohr 1 und Flansch 3 gedrückt. Dadurch, daß der Keilwinkel des keilförmigen Dichtrings kleiner als der Keilwinkel der Ringfläche RF des Flansches 3 ist, erfolgt die Abdichtung insbesondere an der Keilspitze. Aufgrund des Un­ terdrucks im Prozeßrohr und des Drucks des Basisrings auf die Druckfläche DF der keilförmigen Dichtung 4 wird demnach die Dichtung in den Keilspalt gezogen und dichtet trotz der Fließeigenschaften von Teflon an der Keilspitze mit der größ­ ten Dichtkraft.

Der keilförmige Dichtring 4 kann in einfacher Weise durch Drehen eines Teflonstücks hergestellt werden. Es ist zu beto­ nen, daß für die Winkel W1 und W2 auch andere Maße gewählt werden können, beispielsweise W1 20° und W2 17° oder 18°.

Der Kolben 7 der Preßvorrichtung ist als Stahlringkolben aus­ gebildet, der das Gegenstück G des Flansches gegen den mit Hilfe des Zentrierrings 10 und der Bajonettanordnung der Preßvorrichtung und des Basisrings fixierten Basisring 2 drückt. Zum Öffnen des Flansches ist es lediglich erforder­ lich, den Druck auf den Kolben 7 zu entspannen, damit der Druck des Kolbens auf das Gegenstück 6 verringert wird. An­ schließend wird der Bajonettverschluß zwischen der Preßvor­ richtung und dem Basisring geöffnet sowie der Flansch und an­ schließend das Rohr entfernt. Der Einbau erfolgt in umgekehr­ ter Reihenfolge, indem auf das neue Prozeßrohr zunächst der mit dem Zentrierring 10 versehene Basisring 2 und anschlie­ ßend der Flansch aufgesetzt wird, der mit Hilfe der Preßvor­ richtung zum Basisring 2 ausgerichtet wird. Indem der Kolben 7 mit Druck beaufschlagt wird, wird der Flansch 3 gegen den Basisring (2) gepreßt, so daß die Dichtung 4 in dem keilförmigen Ringspalt drücken und das Prozeßrohr abdichten kann. Als Druckgas für den Kolben 7 wird dem Zylinder 6 vorzugsweise Stickstoff zugeführt, um Verunreinigungen zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine Zusammenstellung eines end­ seitigen Verschlusses des Prozeßrohres, der sich für die An­ bringung eines Deckels eignet. In ähnlicher Weise wie in Fig. 1 wird ein Flansch 30, der in Fig. 10 detailliert in einer an­ deren Ausführung dargestellt ist, mit Hilfe einer nicht dar­ gestellten Preßvorrichtung gemäß Fig. 1 gegen einen fixierten Basisring 2 gedrückt, so daß die Dichtung 4 in einen keilför­ migen Ringspalt drücken kann. Der Basisring 2 ist mit einem Zentrierring (10) gegen den Rohraußenmantel zentriert. Der Flansch 30 ist mit Dichtmanschetten 11 und 12 gemäß Fig. 8b, c verse­ hen, die den Flansch in axialer Richtung und in radialer Richtung gegen das Prozeßrohr puffern. Der Flansch 30 hat ei­ nen Auslaß A1, an dem eine Vorrichtung zum Einlaß oder zum Auslaß von Prozeßgasen angebracht werden kann. Das Detail Y des Flansches 30 gemäß Fig. 1 ist in Fig. 9b näher dargestellt. In axialer Richtung enthält der Flansch 30 zackenförmige Rin­ ge ZR1 und ZR2. In einer Abänderung zum Flansch 30 gemäß Fig. 2 mündet zwischen ZR1 und ZR2 ein Loch L, das mit einem An­ schluß A2 zum Anschluß einer Gaszu- oder Abführanlage verbun­ den ist. Das Detail Y mit Loch L und A2 eignet sich für eine Abdichtung des Prozeßrohres mit differentieller Abpumpung, mit der sich bei entsprechender Abdichtung des Flansches mit Hilfe eines Deckels bei einem Rohrinnendruck von etwa 10^-4 Torr Leckraten unterhalb von 0,5 mTorr/min erzielen lassen.

Die auf die zackenförmigen Dichtringe des Details Y drückende Dichtung ist in Fig. 9a dargestellt.

Der in Fig. 11 dargestellte Querschnitt durch einen Deckel AD hat eine ringförmige Dichtnut mit einem Detail X, das in Fig. 11b bzw. 11c näher dargestellt ist. In der Dichtnut sind ge­ mäß Detail X ebenfalls zackenförmige Ringe angeordnet, die den Ringen des Details Y gemäß Fig. 9 entsprechen und auf der anderen Seite der Dichtung gemäß Fig. 9a gegen entsprechende Zacken drücken.

Gemäß Fig. 10 ist eine Dichtfläche des Flansches 30 darge­ stellt, dessen Detail Z Fig. 10b detailliert zeigt. Diese ge­ ringförmig gewölbte Dichtfläche eignet sich für Normalbe­ dingungen, die Leckraten unterhalb 3 mTorr/min zulassen.

Fig. 12 zeigt im Unterschied zu den Fig. 1 bis 11, in denen ein horizontal angeordnetes Prozeßrohr beschrieben ist, ein ver­ tikal angeordnetes Prozeßrohr. Das vertikale Prozeßrohr 103 ist in einen Flansch 101 gesteckt und axial gegen dieses ab­ gepuffert. Ein Basisring 100 drückt einen keilförmigen Dich­ tring 102 in einen keilförmigen Spalt zwischen dem Flansch 101 und dem Prozeßrohr 103. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Flansch und der Basisring miteinander verschraubbar.

Fig. 13 zeigt die Details der Fig. 12.

Claims (9)

1. Prozeßrohr mit einem endseitigen Flansch (3) zur Prozes­ sierung von Halbleiterscheiben, mit einem zugeordneten Basis­ ring (2), wobei das Prozeßrohr, der Flansch und der Basisring relativ zueinander derart angeordnet sind, daß ein keilförmi­ ger Dichtring (4) in einen keilförmigen Spalt gepreßt wird, der durch das Prozeßrohr (1) und eine schräg zur Rohrachse verlaufende Ringfläche (RF) des Flansches (3) gebildet ist, und daß der keilförmige Dichtring (4) eine schräg zur Rohrachse verlaufende Dichtfläche (SF1) hat, die mit der Rohrachse einen Keilwinkel (W2) einschließt, der kleiner ist als der Winkel (W1), den die schräg zur Rohrachse verlaufende Ringfläche (RF) des Flansches (3) mit der Rohrachse ein­ schließt.

2. Prozeßrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Basisring (2) eine Preßvorrichtung (5, 6, 7, 8) eingreift, die den Basisring und den Flansch gegeneinander preßt.

3. Prozeßrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisring einen Bajonettanschluß hat.

4. Prozeßrohr nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßvorrichtung eine am Basisring (2) angreifende Klaue (5) und einen damit verbundenen Zylinder (6) enthält und daß in den Zylinder ein Kolben (7, 8) geführt wird, der gegen ein Gegenstück (G) des Flansches (3) drückt.

5. Prozeßrohr nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßvorrichtung und der Basisring über ein Bajonett ineinandergreifen.

6. Prozeßrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Basisring gegen den Rohrmantel des Prozeßrohrs und
daß der Flansch gegen den Rohrmantel und die Stirnfläche des Prozeßrohrs abgedichtet sind.

7. Prozeßrohr nach einer der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der keilförmige Dichtring Polytetrafluoräthylen enthält.

8. Prozeßrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der keilförmige Dichtring mit glasfaserverstärktem Kunst­ stoff verstärkt ist.

9. Prozeßrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisring eine schräge Preßfläche (PF) hat, die gegen eine abgeschrägten Fläche (DF) des keilförmigen Dichtrings drückt.