DE19523954C2

DE19523954C2 - Rohrförmiges Bauteil aus transparentem Quarzglas

Info

Publication number: DE19523954C2
Application number: DE1995123954
Authority: DE
Inventors: Poul E Breidenbach; Heinz J Herzog; Helmut Dr Leber
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2015-07-06
Also published as: JPH09139351A; DE19523954A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein rohrförmiges Bauteil, insbesondere auf einen Reaktor, aus transparentem Quarzglas für Anwen dungen in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1350°C, insbesondere für die Halbleiterfertigung, wie eine Epitaxie-Glocke oder ein Prozeß-Rohr, das einen Anschlußabschnitt mit einem Flansch aufweist, wobei die Wärme zufuhr zum Flansch durch eine als opaker Rohrabschnitt ausgebildete Wär mesperre vermindert ist.

Ein solches rohrförmiges Bauteil in Form eines zylindrischen Reaktors ist aus der Produktinformation "Quarzglas Products for Epitaxie" der Heraeus Quarzschmelze GmbH (PHL-B 50 E-E 3C 9.89/N Ku) bekannt. Diese beispiels weise auf den Seiten 7 und 9 dieser Produktinformation beschriebenen Reaktoren sind aus einem zylindrischen Rohr aus transparentem Quarzglas mit einem oberen Anschlußstutzen mit wesentlich geringerem Durchmesser als das Rohr und einem unteren, an den Außenumfang des Rohrs angesetzten Flansch. Der untere Teil des Reaktors einschließlich des Flansches ist aus opakem Quarzglas hergestellt, um die Wärmebelastung des Flansches durch Lichtleitungen zu verringern. Der obere Teil des Reaktors im Be reich des verjüngten Anschlusses ist auf seiner Außenseite sandgestrahlt, um Lichtstreueffekte in diesem sandgestrahlten Bereich zu erreichen.

Es ist bekannt, daß die Wärmebelastung der an dem Flansch solcher Reak toren anliegenden Dichtungsteile sehr hoch ist, da innerhalb solcher Reaktoren mit Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1250°C gearbeitet wird. Insofern werden Maßnahmen ergriffen, um diesen Flansch und damit die Dichtung zu kühlen. Beispielsweise ist diesbezüglich in der EP-B1 0 191 023 vorgeschlagen, den Flansch als Hohlflansch auszubilden und in den Hohlraum des Flansches ein Kühlmedium, vorzugsweise Wasser oder Gas oder einen wärmedammenden Stoff, einzufüllen, um die Wärmebe lastung im Flanschbereich herabzusetzen. Solche Maßnahmen erfordern zu sätzliche Kühleinrichtungen und einen aufwendigen Flanschaufbau, um den wärmedämmenden Stoff einfüllen zu können.

Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, daß der Wärmetrans port in transparenten Quarzglasrohren komplizierten Mechanismen unterliegt, die im wesentlichen in drei Arten gruppiert werden können, nämlich Leitung, Konvektion und Strahlung. Diese Mechanismen können nicht iso liert voneinander beurteilt werden, da jeder dieser Mechanismen zur Wär meabfuhr beiträgt.

Prinzipiell findet ein Wärmetransport aufgrund von Temperaturgradienten statt.

Es ist weiterhin bekannt, daß Gläser im allgemeinen schlechte Wärmeleiter sind. Ihre Wärmeleitfähigkeit liegt um einige Größenordnungen niedriger als zum Beispiel die von Metallen. Da die Wärmeleitung im transparenten Quarzglas im wesentlichen über Strahlungseffekte erfolgt, werden zur Herabsetzung dieser Wärmeleitungsvorgänge opake Flansche mit einem sich daran direkt ansetzenden opaken Rohrabschnitt eingesetzt, wie dies aus der oben angegebenen Produktinformation zu entnehmen ist. Aufgrund des natürlichen Streueffektes des opaken Quarzes wird der Wärmetransport durch kurzwelliges und mittelwelliges Licht und Wärmestrahlung herabge setzt.

Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben weiterhin gezeigt, daß sich keine Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der Dimensionierung solcher opaken Flansche mit einem sich daran ansetzenden opaken Rohrabschnitt aufstellen lassen. Da der Innenraum solcher Prozeßrohre durch Wärmestrahlung von außen erhitzt wird, ist es wesentlich, daß der transparente Teil des Rohres möglichst groß gewählt wird, damit gleichmäßig Wärmestrahlung eingestrahlt werden kann. Rohrbereiche aus opakem Quarzglas behindern dagegen die Zuführung solcher Wärmestrahlung. Aus den vorstehenden Grün den soll der opake Bereich zum einen in seiner axialen Erstreckung mög lichst gering sein, zum anderen muß er allerdings einen ausreichenden Wärmeabbau zu der Dichtfläche des Flansches hin gewährleisten, um eine Beschädigung der Dichtungsmittel zu vermeiden und eine ausreichende Dich tung aufrechtzuerhalten. Eine solche Dichtung ist sehr wesentlich, da in diesen Prozeß- bzw. Epitaxie-Rohren Halbleiterwafer behandelt werden, die eine vorbestimmte Zusammensetzung der Atmospähre oder eine hochreine Atmosphäre erfordern, so daß Undichtigkeit am Flansch einen hohen Schaden zur folge haben kann.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik und die in diesem Zusammenhang angegebene Problematik liegt der vorliegenden Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine empirische Dimensionierungsvorschrift anzugeben, die es ermöglicht, ein rohrförmiges Bauteil, insbesondere einen Reaktor, hinsichtlich des opaken, die Wärme abbauenden Teils so zu dimensionieren, daß zum einen ein ausreichender Wärmeabbau gewährleistet ist, unter Berücksichtigung der Verfahrenstemperaturen im Innern des Bauteils, zum anderen aber der opake Bereich so gering wie möglich gehal ten wird. Weiterhin soll das rohrförmige Bauteil fertigungstechnisch möglichst einfach herstellbar sein.

Die vorstehende Aufgabe wird bei einem rohrförmigen Bauteil der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Flansch aus transparentem Quarzglas besteht, die Wärmesperre aus einem opaken und einem transparen ten Quarzglasrohrabschnitt besteht und eine Mindestlänge von L - α (ln (T - γ × ln W/d) - δ) gerechnet ab der Stirnfläche des Flansches besitzt, wobei

α = ein Proportionalitätsfaktor zwischen 520 mm/K und 850 mm/K,

wobei bei hohem Wärmewiderstand des opaken Quarzglasrohrabschnitts die Werte im unteren Bereich und bei niedrigem Wärmewiderstand des opaken Quarzglasrohrabschnitts die Werte im oberen Bereich einzusetzen sind,

T = maximale Anwendungstemperatur des Bauteils in Grad K,
γ = 286 K x mm/Watt,
d = Wandstärke der Wärmesperre,
W = 2 Watt, vorzugsweise 1 Watt,
δ = 7,305 K

sind,
und daß der opake Teil der Wärmesperre mindestens L/2 beträgt und der transparente Teil der Wärmesperre von der Stirnfläche des Flansches aus in Richtung des Rohrabschnitts gesehen mindestens 2-Mal der Dicke (D) des Flansches entspricht und der opake Teil der Wärmesperre an dem der Stirn fläche des Flansches abgewandten Ende der Wärmesperre liegt.

Diese Dimensionierungsvorschrift gibt dem Fachmann die Möglichkeit, unter Berücksichtigung der erforderlichen Temperatur-Verfahrensparameter, mit dem das rohrförmige Bauteil, insbesondere ein Reaktor, betrieben werden soll, hinsichtlich des opaken Rohrabschnitts zu dimensionieren, so daß dieser Rohrabschnitt in seiner axialen Länge sehr gering gehalten werden kann, zum anderen aber der transparente Anteil des rohrförmigen Bauteils möglichst groß verbleibt, um eine gleichmäßige Wärmeeinstrahlung in dem Innenraum des rohrförmigen Bauteils zu gewährleisten. Aus dieser Dimen sionierungsvorschrift ergibt sich, daß sich, im Gegensatz zum Stand der Technik, zwischen dem eigentlichen Flanschabschnitt und dem opaken Ab schnitt der Rohrwand des rohrförmigen Bauteils, ein im Querschnitt ge sehen stegartiger, Rohrabschnitt aus transparentem Quarzglas anschließt. Außerdem ist der eigentliche, sich radial zur Rohrwand erstreckende Flanschabschnitt ebenfalls, im Gegensatz zu dem eingangs angegebenen Stand der Technik, ausschließlich aus transparentem Quarzglas herge stellt. Dieser Aufbau führt dazu, daß zum einen eine ebene, äußerst glat te Dichtfläche des Flanschs aufgrund des transparenten Materials erzielt wird, zum anderen dieser Flanschabschnitt mit anschließendem Rohrab schnitt aus transparentem Quarzglas einfach herzustellen ist. Schließlich bietet der Rohrabschnitt aus transparentem Quarzglas eine gute Möglich keit, den Rohrabschnitt aus opakem Quarzglas, der die eigentliche Wärme sperre darstellt, fertigungstechnisch einfach zu verbinden. Mit dem Rohr abschnitt aus opakem Quarzglas wird die Wärmezufuhr zum Flansch wirksam abgebaut, wobei natürlich der sich in Richtung des Flansches an den opa ken Rohrabschnitt anschließende Rohrabschnitt aus transparentem Quarzglas sowie das Material des Flansches selbst einen gewissen Beitrag zur Wärme abfuhr in Form von Wärmeleitung liefert.

In der empirisch ermittelten Dimensionierungsvorschrift ist darüberhinaus berücksichtigt, daß die Materialbeanspruchungen, insbesondere im Bereich des Flansches sowie der Übergänge zwischen dem transparenten Quarzglasma terial und dem opaken Quarzglasmaterial in noch zulässigen Grenzen gehal ten werden können und damit die Lebensdauer solcher Rohre maximiert wer den kann; letzteres ist gerade im Hinblick darauf wichtig, daß es sich bei diesem Bauteil um sehr kostenintensive Bauteile handelt.

Vorzugsweise sollte mindestens ein Teil des transparenten Rohrabschnitts, der sich an den Flansch anschließt, mit dem Flansch ein einstückiges, naht loses Teil bilden. Ein solches Teil kann aus einem zylindrischen Rohrab schnitt aus transparentem Quarzglas vorgefertigt und bevorratet werden, so daß dann, unter Heranziehen eines solchen standardmäßigen Bauteils, entweder unmittelbar ein entsprechend dimensionierter Rohrabschnitt aus opakem Quarzglas oder zunächst ein Zwischenring aus einem transparenten Quarzglas angebracht wird, bevor dann der Rohrabschnitt aus opakem Quarz glas angesetzt wird.

Die Mindestlänge des transparenten Rohrabschnitts, der sich an den Flansch anschließt, sollte 5 mm, vorzugsweise 20 mm, betragen. Mit dieser Länge steht fertigungstechnisch ein ausreichender Steg, im Querschnitt gesehen, von dem Flansch vor, um daran den sich anschließenden Rohrab schnitt anzuschweißen.

Ein Ausführungsbeispiel einer Epitaxie-Glocke im Querschnitt entlang dessen Achse ist in der Figur dargestellt (keine maßstabsgerechte Dar stellung).

Die Epitaxie-Glocke gemäß der Figur weist einen zylindrischen Hauptrohr abschnitt 1 aus transparentem Quarzglas auf mit einer Wandstärke d. An der Oberseite dieses Haupt-Rohrabschnitts 1 schließt sich ein kappenför miger Teil 2 an, der an seiner Oberseite, konzentrisch zur Achse 3 des Haupt-Rohrabschnitts 1 sich verjüngt und einen Anschlußstutzen 4 mit einem Anschlußflansch 5 aufweist. Die Außenoberfläche dieses kappenförmigen Teils 2 kann, wie in der Figur durch die strichpunktierte Linie 6 an der Außenseite des kappenförmigen Teils 2 angedeutet ist, sandgestrahlt sein, um wirksame Lichtstreuungseffekte von innen nach außen zu erzielen.

An dem Haupt-Rohrabschnitt 1 schließt sich, an dem dem kappenförmigen Teil 2 entgegengesetzten Ende ein opaker Rohrabschnitt 7 an, der zu dem Haupt-Flansch 8 der Epitaxie-Glocke hin in einen Rohrabschnitt 9 aus transparentem Quarzglas übergeht. Der opake Rohrabschnitt 7 sowie der sich daran anschließende transparente Rohrabschnitt 9 weisen zusammen eine Länge L auf und bilden die Wärmesperre, um Wärmeleitung aufgrund von Lichtleitungseffekten in dem Haupt-Rohrabschnitt 1 aus transparentem Quarzglas zu dem Flansch 8 aus transparentem Quarzglas hin abzubauen. Die Länge L dieser Wärmesperre beträgt mindestens L - α (ln (T - γ × ln W/d) - δ) gerechnet ab der Stirnfläche des Flansches besitzt, wobei

α = ein Proportionalitätsfaktor zwischen 520 mm/K und 850 mm/K,

Die Wandstärke der Wärmesperre, die in der vorstehend angegebenen, em pirischen Formel berücksichtigt wird, entspricht in dem gezeigten Aus führungsbeispiel der Wandstärke d des Haupt-Rohrabschnitts 1 aus transpa rentem Quarzglas. Gemäß der vorstehenden empirischen Vorschrift ist er forderlich, wie auch das Ausführungsbeispiel der Figur zeigt, daß die axiale Länge des transparenten Rohrabschnitts 9 in Richtung der Achse 3 gesehen, mindestens der Dicke D des Flanschabschnitts 8 entspricht. Wei terhin soll die axiale Länge des opaken Rohrabschnitts 7 mindestens L/2 betragen, um der Dimensionierungsvorschrift zu genügen. Mit einem solchen Aufbau einer Epitaxie-Glocke wird gewährleistet, daß, unter Berücksichti gung der in die empirische Formel einzusetzenden Verfahrensparameter, ein ausreichender Wärmeabbau von dem Haupt-Rohrabschnitt 1 zu der Dichtflä che 10 des Flanschs 8 hin gewährleistet ist.

Wie anhand der Figur zu erkennen ist, ist der Flansch 8 sowie der trans parente Rohrabschnitt 9 als einstückiges, nahtloses Bauteil hergestellt. Der stegförmige Fortsatz an dem Flansch 8 in Form des ringförmigen Rohr abschnitts 9 aus transparentem Quarzglas ermöglicht ein einfaches Verbin den, wie Verschweißen, mit dem Rohrabschnitt aus opakem Quarzglas.

Claims

1. Rohrförmiges Bauteil, insbesondere ein Reaktor, aus transparentem Quarzglas für Anwendungen in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1350°C, insbesondere für die Halbleiterfertigung, wie eine Epi taxie-Glocke oder ein Prozeß-Rohr, das einen Anschlußabschnitt mit einem Flansch aufweist, wobei die Wärmezufuhr zum Flansch durch eine als opaker Rohrabschnitt ausgebildete Wärmesperre vermindert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch aus transparentem Quarzglas besteht, die Wärmesperre aus einem opaken und einem transparenten Quarzglasrohrabschnitt besteht und eine Mindestlänge von L - α (ln (T - γ × ln W/d) - δ) gerechnet ab der Stirnfläche des Flansches besitzt, wobei α = ein Proportionalitätsfaktor zwischen 520 mm/K und 850 mm/K,wobei bei hohem Wärmewiderstand des opaken Quarzglasrohrab schnitts die Werte im unteren Bereich und bei niedrigem Wärme widerstand des opaken Quarzglasrohrabschnitts die Werte im oberen Bereich einzusetzen sind,T = maximale Anwendungstemperatur des Bauteils in Grad K,
γ = 286 K x mm/Watt,
d = Wandstärke der Wärmesperre,
W = 2 Watt, vorzugsweise 1 Watt,
δ = 7,305 Ksind,
und daß der opake Teil der Wärmesperre mindestens L/2 beträgt und der transparente Teil der Wärmesperre von der Stirnfläche des Flansches aus in Richtung des Rohrabschnitts gesehen mindestens 2-Mal der Dicke (D) des Flansches entspricht und der opake Teil der Wärme sperre an dem der Stirnfläche des Flansches abgewandten Ende der Wärmesperre liegt.

2. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des transparenten Rohrabschnitts mit dem Flansch ein einstückiges, nahtloses Teil bildet.

3. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Rohrabschnitt eine Mindestlänge, ohne die Dicke des Flansches, von 5 mm besitzt.

4. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestlänge des transparenten Rohrabschnitts, ohne die Dicke des Flansches, 20 mm beträgt.