DE1963560A1 - Waermeuebertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE D R.-I NG. H. Fl NCKE DlPL.-ING. H.BOHR DlPL-ING. S. STAEGER

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β MÜNCHEN 5, Müllerstraße 31

1 8. DEZ. 1969

BESCHREIBUNG zur Patentanmeldung dßr

TRY INCe, Redcndo Beach, California/V, St .v. Amerika

"betreff eijLfl ι

"Värraeüber tr aguiiga vor richtung"

PRIORITÄTs 31. Januar i960 » V.St.Amerika

Din Erfindung betrifft Wärmeübertragung«vorrichtungen und insbesondere Vorrichtungen mit kapillarem FlUssigkeitstrnnsport, die derart ausgebildet; sind, dass sie sich insbesondere für Öfen verwenden lassen.

s«? dex^v Erfindung bilden im Abstand voneinander angeordnete innere und äussore Rohre einen geschlossenen ringförmigen Raum, dessen innere Oberflächen Verkleidungen

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Dochtmaterial aufweisen, die durch flügelähnliche Elemente aus Dochtmaterial verbunden sind. Das Dochtmaterial transportiert eine verdampfbare Arbeitsflüssigkeitvon kalten Bereichen, in denen der Dampf kondensiert, zu warmen Bereichen, in denen die Flüssigkeit verdampft. Ein isothermer Arbeitsraum ist in dem zentralen Raum ausgebildet, der von dem inneren Rohr über dessen gesamte Länge begrenzt wird und der vorteilhafterweise in Öfen oder zur Bildung einer isothermen Umhüllung Verwendung finden kann.

Die Herst el lungs techiiik von Rücklaufheizgeräten hat einen intensiven Entwicklungsprozess durchlaufen, der bis 1930 zurückreicht. Bei solchen Geräten arbeitet ein Heizrohr nach dem Prinzip eines Rücklaufheizgerätes j es ist aus-aar st wirksam zur Übertragung grosser thermischer Heizströme. Solche Heizrohrgeräte sind beispielsweise in den USA-Patentschriften 3 152 77^ und 3 2?9 beschrieben· Das Heizrohr besteht in seiner Grundform aus einem geschlossenen Rohr, das eine Schicht aus einem porigen Dochtmaterial enthält, das an der inneren Oberfläche der Rohrwand angeordnet ist. Das Rohr ist teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, das das porige Dochtmaterial benässt und sich durch Kapillarkräfte über das gesamte Dochtmaterial ausbreitet· Die besondere verwendete Flüssigkeit wird von dem gewünschten Temperaturbereich bestimmt·

Wenn irgendeiner Stelle der Oberfläche des Rohres ein ausreichender Wärmestrom zugeführt wird, verdampft die Flüssigkeit, Energie, die der Verdampfungswäriae η entspricht, wird von dem Hochwärmestrombereich durch den

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Dampf abgeführt, der durch die gesamten inneren Bereiche des Rohres strömt« Der Dampf kondensiert an allen inneren Oberflächen, die Temperaturen aufweisen, die niedriger sind als die der Verdampfungsfläche; dabei geben sie die Verdampfungswärme an alle kälteren Oberflächen ab.

Die wiederkondensierte Flüssigkeit wird dann durch Kapillarkräfte zu dem VerdampfungsbereiCh bzw. dem Hochwärmestrom-Elngangsbereich zurückgebracht, wodurch sich der Kreisprozess des thermischen Energietransportes und der Energieabgabe an alle kalten Bereiche des Rohres schliesst. Infolge dessen erhält das Heizrohr, obwohl es nur in einem schmalen Bereich erwärmt» wird, schnell eine isotherme Öberfläche_v d.h. alle Oberflächentemperaturen des Rohre· sind gleich oder nahezu gleich unabhängig davon, in welcher Weise die Verteilung des Eingangswärme ströme erfolgt«

Soweit die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise zur Bildung eines Diffusionsofens für die Halbleiterindustrie Verwendung finden kann, werden solche Diffusionsöfen kurz beschrieben. Die bekannten Diffusionsöfen besitzen ein langes Behandlungsrohr mit einer Länge von 60 bis 9Q cm und einen Durchmesser von einigen TO mm. Das Behandlungsrohr 1st in Längsrichtung von einer langen, schraubenlinienförmigen Heizspule umgeben, die in drei Spuleilteile unterteilt ist, nämlich einen langen mittleren Teil und zwei kürzere Endteile . Die drei Teile werden getrennt mit elektrischer Heizenergie versorgt, um drei getrennte, thermostatisch gesteuerte Heizbereiche in dem Behändlungsrohr zu bilden. Die drei Bereiche sind

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notwendig, um ein flaches Temperaturprofil über eine möglichst grosse Länge des Behändlungsrohres zu erreichen. Ein flaches Temperaturprofil ist notwendig, um sicherzustellen, dass alle Halblelterplättchen, die in einem Behälter in das Behandlungsrohr gebracht werden, den gleichen thermischen Diffusionsbehandlungsbedingungen unterworfen sind« Der Diffusionsvorgang besteht in der Einführung eines gasförmigen Fremdstoff- bzw. Dotiermaterials in das Behandlurigsrohr, während die in dem Be-P erhitzt werden.

hälter befindlichen Halbleiterplättchen auf etwa 13OO°C

Trotz der sorgfältigen Ausbildung von drei Heizbereichen erhält ein wesentlich kleinerer Teil als die_gesamte Länge des Behandlüngsrohres ein flaches Temperaturprofil. Ausserdem sind einige ziemlich komplizierte elektrische Steuerkreise erforderlich, um die Temperaturen der drei Heizbereiche zu. steuern bzw. zu ändern« so dass der Ofen nicht nur ein flaches Temperaturprofil erhält, sondern es auch bei unterschiedlichen Zuständen des Behälterinhaltes beibehält.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einem einheitlich ausgebildeten Aufbau unter Verwendung des grundlegenden Heizrohrprinzips und auf der Erkenntnis, dass solche Gebilde vorteilhafterweise für bestimmte Arten von Öfen, z.B. für Diffusionsöfen, Verwendung finden können. Die inneren Oberflächen eines ringförmigen'Rohfes werden mit einem porigen Dochtmaterial versehen, wie z.B. gesinterten Materialien, Drahtgittern oder anderen porigen Verbundstoffen, um völlig verbundene Flüssigkeitsstrom-

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wege zu bilden. Wenn eine Arbeitsflüssigkeit eingebracht wird, die das Dochtmaterial benässt und einen geeigneten Dampfdruck aufweist, der an den gewünschten, infragekommenden Temperaturbereich angepasst ist, kann das isotherme, ringförmige Heizrohr für verschiedene Värmeübertragungsanwendungsfälle verwendet werden. Venn es insbesondere in einem Diffusionsofen verwendet wird, erzeugt es bei Verwendung einer einzigen elektrischen Heizspule und eines e-in^igen Temperatursteuergerätes über die gesamte Länge des Behandlungsrohres bzw. -raumes ein flaches Temperaturprofil.

In den Figuren 1 bis 9 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnittenen Heizrohres eines gemäss der Erfindung aufgebauten Ofens;

Fig. 2 eine Seitenansicht des teilweise geschnittenen Ofens;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2}

Fig. h schematisch eine Heizeinrichtung für den Ofen nach Fig. 2 in einer weiteren Ausführungsforej ·

Fig. 5 ein Kurvendiagramm, aus dem die Temperatur als Funktion des Abstandes längs des Ofens zweier verschiedener Bereiche hervorgeht;

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Fig· 6 eine perspektivische Darstellung eines teilweise geschnittenen Diffusionsofens mit einem ringförmigen Heizrohr gemäss der Erfindung j

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Ofenanordnung der Fig» 6 und

Fig. 8 und O perspektivische Darstellungen weiterer Ausführungsformell von Diffusionsöfen mit einem ringförmigen Heizrohr mit rechteckigem Querschnitt. .

In Fig. 1 .ist ein Ofen 10 gezeigt, der pinen zentralen isothermen Arbeitsraum 12 aufweist, der in einem ringförmigen Heizrohr lh gebildet ist. Eine elektrische Heizspule 16 ist um ein Ende des Heizrohres 1U gewikkelt und wird mit elektrischer Energie von einer Spannungsquelle 18 versorgt. DiR Heizspule 16 kann in eine thermische Isolierhülse 20 eingebettet sein, die das Heizrohr 1-i in Längsrichtung umgibt. Die Isolierhülse 20 dient dazu, den Värmeveriust von dem Heizrohr th an die umgebende Atmosphäre zu vermindern.

Vie deutlicher in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, enthält das Heizrohr 1Λ konzentrische innere und äussere zylindrische Metallrohr.e 22 bzw, 2^, Der Raum zwischen den Rohren 22 und 2h bildet eine ringförmige Kammer 25. Die Oberflächen der Rohre 22 und Zh, die in der ringförmigen Kammer 25 angeordnet sind, sind mit Verkleidungen 26 und 28 aus einem porigen Dochtmaterial bedeckt. Die beiden Dochtverkleidungen 26 und 28 sind im Abstand voneinander angeordnet und* durch kurze Abstands-

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elemente 30 aus Dochtmaterial verbunden, die längs der Rohre 22 und Zk angeordnet sind.

Die ringförmige Kammer 25 ist an beiden Enden durch Abdeckplatten 32 verschlossen, von denen in Fig. 1 eine dargestellt ist und die den isothermen Arbeitsraum 12 von der Aussenseite leicht zugänglich lassen. Aus der ringförmigen Kammer 25 sind die nicht kondensierbaren Gase wie z.B. Luft ausgepumpt} sie enthalten eine verdampfbare Flüssigkeit 3^1 die ausreicht, um das gesamte Dochtmaterial durch Kapillarwirkung zu befeuchten. Die besondere Flüssigkeit hängt von der für das Heizrohr 1*1 gewünschten Arbeitstemperatur· ab.

Das Dochtmaterial für die Verkleidungen 26 und 28 und die Abstandselemente 30 können aus gesintertem Material, Drahtschirmen öder arideren porigen Verbundstoffen bestehen, die Poren öder öffnungen kapillarer Grosse besitzen und in der Lage sind, die verdampfbare Flüssigkeit 3k su transportieren.

Beim Betrieb des Ofens 10 wird die Heizspule 16 mit !Energie versorgt und heizt den Teil des ringförmigen Heizrohres Ik auf, der von ihr umgeben wird. Die dadurch erhitzte Flüssigkeit Jk verdampft und führt von dem Hochwärmestrombereich thermische Energie ab, die der Verdampfungswärme entspricht. Der Dampf strömt durch die ringförmige Kammer 25, wo er an allen inneren Oberflächen kondensiert, deren Temperatur unter der der Verdampfungsoberfläche liegt, wodurch er die Verdampfung s war me an alle kälteren Oberflächen abgibt und

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dei-en Temperatur erhöht. Kontinuierliche Dampf fluss wege worden längs der i'ingforniigen Kanuner 25 durch deii linearen Abstand zwischen den Abstandselenienten 30 gebildet. Die kondensierte Flüssigkeit Jh wird dann durch die Kapillarwirkung durch das Dochtmaterial von diesen Kondensationsbereichen zu dem Verdampfungsbereich bzw. dem Hochwärme stroni-Eingangsber eich transportiert ι wo die Flüssigkeit Jk wieder· verdampft.

Durch diesen Kreisprozess wird die thermische Enex-gie, die von. der Heizspule 16 geliefert wird, weitertransportiert und an alle kälteren inneren Bereiche,der Kammer 25 abgegeben. Die Folge davon ist, dass die' gesamte Oberfläche des Heizrohres lh schnell' eine isotherme Oberfläche wird, wenn man in dem für die Arbeitsflüssigkeit charakteristischen Temperaturbereich arbeitet, und das Volumen des isothermen Arbeitsraums 12 des Ofens 10 besitzt eine gleichmässige Temperatur über die gesamte Länge des Heizrohres ify.

Für eine besondere Flüssigkeit existiert ein Temperaturgleichgewichtsbereich, in dem die Vorrichtung gemäss der Erfindung isotherme Zustände liefert. Die untere Grenze des Temperaturgleichgewichtsbereichs wird durch die thermodynamischen Eigenschaften der Arbeitsflüseigkeit bestimmt, nämlich den Dampfdruck und die.Verdampfungswärme. Die obere Grenze des Temperaturgleichgewichtsbereichs wird durch die mechanische Fähigkeit der Vorrichtung bestimmt, den zwangsläufigen Drücken des Dampfes auf die umgebende Atmosphäre zu widerstehen.

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Der flüssigkeitslöse Arbeitsraum XZ kann als Ofen verwendet werden, um verschiedene Fabrikationsgegenstände, wie z.B. Halbleitervorrichtungen, zu behandeln, ohne dass eine Gefahr der Verschmutzung durch die Arbeitsflüssigkeit 3^ besteht. Weiterhin kann der Ofen 10 verwendet werden, .um eine isotherme Umgebung für verschiedene Komponenten zu schaffen, die eine gleichmassige Wärmeverteilung erfordern, wobei der Ofen konform mit ihnen ausgebildet wird. Obwohl der Ofen in kreisförmiger, zylindrischer Form dargestellt ist, kann er einen rechteckigen Querschnitt oder auch eine komplexe Querschnittsform besitzen.

Beispielsweise können die Rohre 22 und 2k aus rostfreien Stahlzylindern bestehen, die eine Länge von ca. JO cm (12 inch) mit Innendurchmessern von ca. 38 nun (1»5 inch) bzw. ca, **8 mm (1,9 inch) und Aussendurchmessern von ca. ^O mm (1,6 inch) bzw. 50 mm (2 inch) aufweisen. Das Dochtmaterial kann aus vier Mehrfachschichten eines 100-Mesh-Schirraes aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. ·

Für Anwendungsfälle, bei denen Temperaturen von mehr als 1000 C erforderlich sind, wie z.B. bei der Behandlung von Halbleitervorrichtungen, können Arbeitsflüssigkeiten wie Lithium bzw. flüssige Metalle verwendet werden, die die gewünschte Verdampfungstemperatür besitzen« Für Anwendungsfälle, die hohe Arbeit stemperatüren erfordern, erweist es sich als vorteilhaft, Siliziumkarbidstäbe als Heizelemente anstelle von Heizspulen zu verwenden. Nach Fig. H können z.B. zwei odf>r mehrere solche Stäbe" 35 nebeneinander nahe dem riiigförmigen Heizrohr 14 in

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der gezeigten Weise angeordnet werden. Die Stäbe 35 können parallel an die Spannungsquelle 18 angeschlossen werden.

Fig. 5 zeigt Temperatürkurven, die längs des Ofens 10 an zwei verschiedenen Bereichen aufgenommen wurden. Die Kurve 36 betrifft den in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 38 angegebenen Bereich, der den Raum nahe der inneren Oberfläche der Isolierhüle 20 einnimmt. Die Kurve ^O betrifft den Bereich an der äusseren Oberfläche des inneren Rohres 22, d.h. die Oberfläche, die den mittleren Arbeitsraum 12 begrenzt. Die Temperatur ist auf der Ordinate und·der Abstand längs des Ofens 10 ist auf der Abszisse aufgetragen. Die Temperatur ausserhalb des ringförmigen Heizrohres ]k nimmt von 7OO C an dem der Heizspule 16 benachbarten Ende bis zu einem Maximum von mehr als 780 C in einer Entfernung von ca. 5 cm zu und fällt dann bis etwa unter 6OO C an dem gegenüberliegenden Ende. Im Gegensatz dazu beträgt die Temperatur an dor inneren Oberfläche des inneren Rohres 22 gleichmässüLti 720⁰C über die gesamte Länge.

Die vorliegende Erfindung bietet besondere Vorteile, wenn sie zur Behandlung von Halbleitervorrichtungen verwendet wird. Z.B. ist es in der Herstellungstechnik für Halbleitervorrichtungen notwendig, Siliziumplättchen in Gegenwart von Dotiermaterialien in einem Ofen bei Temperaturen in der Grössenordnung von 1000 C zu erhitzen. Bei den zur Zeit verwendeten Öfen ist die Temperatur in dem mittlei'en Teil im wesentlichen gleichmässig, fällt aber an den Enden erheblich ab. Infolgedessen sind etwa 60 *fo der Ofenlänge nicht verwendbar. Gejnäss der Erfindung herrscht im wesentlichen über die gesamte Länge des Ofens

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eine gleiohmüpsige Temperatur und es kann eine greis sere Lunge des Ofens zur Behandlung von Halbleitervorrichtung gen verwendet werden. Folglich kann in einem besonderen Anwendungsfall der äquivalente Energieverbrauch für die Behandlung merklich vermindert werden»

Bei den zur Zeit verwendeten Öfen werden nieirrere elektrische Heizeinrichtungen über die Länge des Ofens verteilt und jede Heizspule kann einzeln thermostatisch gesteuert werden. Instandhaltungsprobleme ergeben sich aufgrund der Tatsache, dass ein Ausfall wegen einer von mehreren Heizspulen und eines von mehreren Steuerkreisen auftreten kann. Die In-standhaltungsprobleme und die Systemkosten werden durch die vorliegende Erfindung dadurch verbessert, dass nur eine einzige Heizquelle und ein Steuerkreis erforderlich sind·

Die vorliegende Erfindung ergibt zusätzlich besondere Vorteil©, wenn sie zur Untersuchung von mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen angewandt wird. Beim Testen von Eigenschaften wird ein Ofen verwendet, um die Stoffprobe zu erhitzen. Zur Zeit in der Technik verwendete Öfen verwenden mehrere Heizspulen über die LSnge des Ofens, die einzeln gesteuert und eingestellt werden, um eine in etwa gleichmässige Temperatur über den aktiven Bereich hervorzurufen. Nach der Einstellung liefert solch ein Ofen über die interessierende Länge eine gleichmässige Temperatur mit einigen Grad Abweichungen· Während der Testfolge beeinflusst und verschlechtert jede Änderung des Heizgleichgewichtes infolge einer Änderung der Testbedingungen die thermische

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■Gleichmässigkeit innerhalb des Ofenvolumens, Die vor- ■ liegende Erfindung bes'eitigt die Notwendigkeit irgend-* einer manuellen oder halbautomatischen Einstellung des Zustande des thermischen Eingangs bzw. der Temperaturgleichmässigkeit innerhalb des Volumens des isothermen Arbeitsraums. Eine einzige automatische Temperatursteuerung ist daher alles,was erforderlich ist, um jede gewünschte Temperatur in den gesamten Arbeitsvolumen über den Arbeitsbereich der Wärmeüb er tragungsflüssigkeit gleichmässig zu halten.

Die Erfindung wird nun in Anwendung auf die Herstellung - eines Diffusionsofens zur Behandlung von Halbleitern beschrieben. In den Figuren G und 7 ist ein Diffusionsofen gezeigt, der aus einer Ofenanordnung 50 und einem' Energiesteuersystem 52 besteht. Die Ofenanordnung 50 enthält ein äusseres Gehäuse 5k, das mit einer thermischen Isolation 56 verkleidet ist, In Längsrichtung von und zentral zu dem Gehäuse $h verläuft eine von -der Isolation 56 getragene schraubenlinienförraige Heizspule $8, die um ein zylindrisches, keramisches Tragrohr 60 gewickelt ist.

W Die Heizspule 58 hat dieselbe Funktion wie die Heizspule 16 der Fig. 1, nämlich Wärmeenergie zu dem ringförmigen Heizrohr 20 zu liefern, das in dem Diffusionsofen innerhalb des Tragrohres 6O gehalten wird. Zu diesem Zweck kann die Heizspule 58 aus einem Draht mit hohem Widerstand" bestehen, der sich auf eine hohe Temperatur erhitzt, wenn er mit einem elektrischen Strom mit einer Frequenz von 60 Hz versorgt wird. Andererseits kann die Heizspule 58 aus einem Metall-

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rohr mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, da,s_r wenn es mit einem Hochfrequenzstrom versorgt wird, das ringförmige Heizrohr durch elektromagnetische Induktion aufheizt.

Ein zylindrisches Behändlungsrohr 62, das aus geeignetem Material wie z.B. Quarz hergestellt ist, νίί'β in dem ringförmigen Heizrohr 20 gehalten und verläuft in Längsrichtung durch dessen beide Enden. Das Behandlungsrohr 62 besitzt ein offenes Ende 6k, durch das ein Behälter 66 eingeführt werden kann, der Plättchen 68 aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial enthält. Das andere Ende des Behandlungsrohres 62 kann mit einer kleinen Öffnung 70 versehen sein, durch die ein geeignetes gasförmiges Dotiermaterial in das Behandlungsrohr zur Diffu-sion in die Halbleiterplättchen 68 eingeführt werden kann.

Der mit Plättchen beladene Behälter 66 bzw. mehrere Behält ex-, die hintereinander angeordnet sind, können sich im wesentlichen über die gesamte Länge des ringförmigen Heizrohres 20 erstrecken und auch über die Enden dei-Heizspule 58 hinaus. Der Grund hierfür liegt darin, dass die effektive Heizzone zum Erhitzen der Halbleiterplättchen 68 eher von dem Inneren des ringförmigen Heizrohres 20 als von der Heizspule 58 bestimmt wird. Die, effektive Heizzone besitzt ein flaches Temperaturprofil über die glesamte Länge des ringförmigen Heizrohres 20.

Das Energiesteuersystem 52 enthält ein Netzgerät 7~i um der Heizspule 58 elektrische Energie zuzuführen. Das Netzgpx-ät 72 ist mit der Heizspule 58 durch ein Steuergerät 7*1 verbunden. Ein Thermoelement 76, das das ring-

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förraige Heizrohr 20 berührt, ist an das Steuergerät ^h angeschlossen. Das Thermoelement 76, das in einem Rohr 77 angeordnet sein kann, wie in Fig. 7 gezeigt ist, stellt Änderungen der Temperatur in dem Heizrohr oberhalb und unterhalb eines gegebenen Einstellpunktes fest, auf den Kreisein dem Steuergerät Jk eingestellt sind. Die Kreise in dem Steuergerät %h bewirken, dass der Heizspule 58 Energie zugeführt wird, wenn die Temperatur unter den Einstellpunkt fällt, und da.ss die Energiezufuhr zu der Heizspule 58 unterbrochen wird, wenn die Temperatur über den Einstellpunkt steigt.

Temperatureteuersysteme für Diffusionsofen sind bekannt (vgl. z.B. USA-Patentschrift 3 29T 969) und es ist daher nicht erforderlich, das Steuergerät 7'¹ näher zu beschreiben»

Das Netzgerät.72 kann derart ausgebildet sein, dass es 60-IIeitz-Wechselstrom der Heizspule 53 zuführt, wenn letztere nach dem Prinzip der Widerstandsheizung arbeitet. Wenn dagegen die Heizspule 58 eine elektromagnetische Induktionsheizspule ist, kann das Netzgerät 72 derart ausgebildet sein, dass es der Heizspule 58 einen Hochfrequenzstrom zuführt.

Der beschriebene Diffusionsofen besitzt eine einfachere Konstruktion seiner Ofenanordnung 50 und seines Steuersystems 52 als der entsprechende Aufbau üblicher Diffusions öfen. Der Einbau eines ringförmigen Heizrohrs gemäss der Erfindung lässt die Verwendung einer

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einzigen Heizspule anstelle von drei Heizspulen und einep einzigen Temperatursteuersystems 'anstelle von drei Systemen zu» Das ringförmige Heizrohr 20 schafft ein flaches Temperaturprofil längs der gesamten Innenlänge « wodurch die Kapazität der Halblei t'erbehandlungszone zuniemt. Ausserdem fällt oder steigt die Temperatur gleichinässig längs der gesaraten Länge» der Heizzone, wenn es erwünscht ist, die Temperatur des Ofens zu ändern*

In FIg* 8 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer Diffusionsofenanordnung 5Oa gezeigt, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist»· Das Behandlungsrohr 62a und das ringförmige Heizrohr 20a sind rechteckig statt kreisförmig. Ein Heizelement 58a mit flacher Sinusform ist nahe einer Oberfläche des Heizrohres 20a angeordnet, beispielsweise an dessen Oberseite. Die Windungen des Heizelements 58a verlaufen in einem Winkel zu der Längsachse des Heizrohres 20a und des Behandlungsrohrs 62a. Bei dieser flachen Anordnung ist das Heizelement 58a nach Art der Drahtwiderstandserhitzung ausgebildet. Das Heizelement 58^a kann mit dem ringförmigen Heizrohr 20a in direktem thermischem Kontakt stehen. Z.B. kann das Heizelement 58a einen mittleren stromführenden Leiter ?8 enthalten, der von einer äusseren MetallhUlse 80 durch eine elektrische Isolation 82 im Abstand gehalten wird. Weiterhin kann für einen leichteren Zusammen- bzw. Ausbau das Heizelement 58a an einem flachen Tragelement 60a angeordnet sein, das an dem Heizrohr 20a angeordnet ist. Zum Zwecke der leichteren

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-.Darstellung sind, die übrigen Teile der Ofenanordimug nicht'gezeigt; "ie enthält ähnliche Teile wi «^Λ die Isolation %6 und das Gehäuse 5^ dei* Figuren 6 und 7· In gleicher Weise .kann bei der rechteckigen Ofenauordnung 30rd Ria S teuer sys tem 5? verwendet werden, dets dein bei'flif·- In Verbindung mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen ähnlich ist.

Ein zusätzlich ei* Vorteil des Einbaus eines ringförmigen Heizrohre=! in einen Diffusionsofen geht aus Fig. 8 hervor· Er besteht darin, dass "das Heizelement 58a das BelianfH-ungsrolir 6.2a nicht zu umgeben braucht, wi e dies bei üblichen Diffusionsofen notwendig ist. Es ist ausreichend, die gesamte erforderliche thermische Eingangsenergie einer bestimmten Stelle des Heizrohrs 20a zuzuführen, vie z.B. der Oberseite oder einem Teil davon-; durch die Wirkung des Heizrohrs 20a nimmt die gesamte Oberfläche einen, isothermen. Zustand an. Ausserdem ist es bei der Konstruktion des Heizelements 58a nicht örfordf-i Tich,- das nuf einen genauen Abstand zwischen den Windungen oder auf die Gleichmässigkeit der Längen der Windungen chip besondere Rücksicht genommen wird.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines rechteckigen Dif fusion^; ο fens 50b, der dem der Fig. 8 gleicht, Bei dieser Aus führungsform besitzt das Heizelement 5^b sinusförmige Windungen, die parallel zu der Längsachse des Heizrohre« 20b und des Behandlung srolir s 62b verlaufen. Das Heizelement 58b, das an einem Tragrohr 60b angeordnet sein kann, kann alle vier Seiten des Heiz-■-rohrs 20b in Längsrichtung und in Umfang sr ichtung wie

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gezeigt bedecken oder es kann eine geringere Anzahl von Seiten oder nur Teile von diesen bedecken.

Ein Hauptvorteil der rechteckigen Anordnung besteht für die Diffusionsofenanordnung darin_f dass die Querschnitt sf lache des Behandlungsrohrs j dafs für jede· Anordnung aus einem Behälter und seiner Halbleiterlast erforderlich ist, vermindert wird. Dies vermindert den Wänneverlust an den offenen Enden des Ofens und verbessert dessen Temperaturpfofil.

Patentansprüche ι

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Claims (1)

1. Pat entansprüche

   1./Ofen insbesondere für Halbleitervorrichtungen, gekennzeichnet durch ein Rohr (ΐΌ» das im Abstand voneinander befindliche Innen- und Aussenwände (22,24) aufweist, die einen geschlossenen, evakuierten ringförmigen Raum (25) begrenzen, eine Dochtverkleidung (26,28) an der äusseren Oberfläche der Innenwand (22) und an der inneren Oberfläche der Aussenwand (24), die im wesentlichen alle Teile der Oberflächen bedeckt, denen Wärme zugefühi-t werden soll, wenigstens ein Dochtelement (30), das die Dochtverkleidung/ui (26,28) an Längsteilen verbindet, wobei aus dem rixigförmigen Raum(25) alle nicht kondensierbaren Gase abgesaugt sind und der Raum teilweise mit einer Substanz gefüllt 1st, die aus der flüssigen Phase verdampfbar ist und die die Dochtverkleidungen (26,28) und das Dochtelement (30) benässt.

   Ofen, gekennzeichnet durch ein Rohr (i4) mit iui Abstand voneinander befindlichen Innen- und Aussenwänden (22,2^), die einen geschlossenen, evakuierte« ringförmigen Raum (25) begrenzen, der eine zentrale Öffnung (12) begrenzt, eine kapillare Verkleidung (28) .an der inneren' Oberfläche der Aussenwand (2?) und eine kapillare Verkleidung (26) an der liüsseren Oberfläche der Innenwand (22), eine zusätzliche kapillare Verbindung (3O) der kapillaren Verkleidungen (26,28), wobei alle nicht kondensierbaren Gase aus dem ringförmigen Raum (25) ausgepumpt sind und

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   der Raum ^f.oilwpis-e in' t piner Substanz g"fünt ist, die aus einer flüssigen Phase verdampfbar ist *md die dur^h die kapillaren Vex^kl^i düngen (26,28) und die zusätzliche kapillare Verbindung (3^) transportierbar i-l«

   3« Ofen nach Anspruch ?_r gekennzeichnet durch V^r=chi u«' <*■ (32) an beiden Enden des ringförmigeη Raums (25)» din einen offenen, ir:t tieren Kanal (12) freilassen, der von dem Raum (»5) tmiüeben ist und sich über de «ssen Län&e erstreckt.

   ^. Ofen nach Anspruch 2, dadiirch gekennzeichnet, dnss die zusätzliche kapillare Yerbindun£ (3^) melirer«* Gruppen von Docht^lementen umfasst, die die kapillaren Verkleidungen (26,28). im Abstand halten, wobei'-die Dochtelemente in Umfang s rieh tun j und in LSiigsi"ielitung in dem ringförmigen Raum (25) angeoi'dnet sind, um einen kontinuierlichen FKispi^keit^^tromweg durch den Raum (25) zu bilden.

   5· Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillaren Verkleidungen (26,28) und die zusätzliche kapillare Verbindung (3^) aus einem Drahtgitter bestehen.

   6. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz aus einem Material drr aus Kalium und Lithium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

   7· Of⁰Ii nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da?= der ringf öx-miti«¹ Raum (25) kr^iszyl Inder förmig ausgebildet is t.

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   Wärmeübertragungsvorrichtung mit Anwendung- der Rücklauf erhitzprvirkung*, gekennzeichnet durch einen gc— schlossenen, evakuierten, ringförmigen Kaum (25), dor eine mittlere Öffnung ( T2) umgibt, wobei nus dem ringföimigen Raum (25) alle nirlit kondeusierbaren Gase ausgepumpt sind und dßr Raum teilweise · mit einer Substanz gefüllt ist, die aus einer flüssigen Phase verdampfbar ist_r eine Heizeinrichtung, die au^serhalb des Raumes (25) angeoidnet ist und die thermisch mit ihm verbunden ist, um wenig- -stens einen Teil davon aufzuheizen, und kapillare Verkleidungen (26,28), die im wesentlichen alle inneren Oberflächenteile des ringförmigen Raumes (25) bedecken, die nahe der Heizeinrichtung liegen, wodurch thermische Eingangsenergie gleichmässig durch den gesamten Raum (25) durch die Rücklaufheizwirkung verteilt wird und im wesentlichen isotherme Bedingungen in der Kammer (25) gebildet werden, unabhängig davon, wo die Eingangsenergie zugeführt

   WärmeUbertragungsvorrichtung mit Anwendung der Rücklaufheizwirkung, gekennzeichnet durch einen geschlossenen, evakuierten, langgestreckten ringförmigen Raum (25), der einen mittleren Arbeitsraum (12) zur Aufnahme eines Werkstücke umgibt, wobei aus dem ringförmigen Raum (25) alle nicht lcondonsierbaren Gase ausgepumpt sind und der Raum teilweise mit einer Substanz gefüllt ist, die aus einer flüssigen Phase verdampfbar ist, eine Heizeinrichtung, die ausserhalb des Raumes (25) angeordnet ist und die thermisch mit ihm verbunden ist, um

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   wenigstens einen Teil davon aufzuheizen, und kapillare Verkleidungen (26,28), die im wesentlichen alle inneren Oberflächenteile des ringförmigen Raumes (25) bedecken ₍ die nahe der Heizeinrichtung liegen, wodurch thermische Eingangsenergie gloidhmässig durch den gesamten Raum (25) durch die Rücklaufheizwirkung verteilt wird und für ein in den zentralen Arbei.tsrn.um (12) einzubringendes Werkstück eine isotherme Umgebung bildet.

   10. Vorz*i ent ung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass dip kapillaren Verkleidungen (26,?8) derart angeordnet sind, dass sie einen kapillaren Flussigkeitstransport und eine Rückkehr der Substanz in ihre flüssige Phasf bewirken.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillaren Verkleidungen (?5₃28) -verbunden sind und die inneren Oberflächen der Kammer (25) !>*>decken, mn die Substanz durch Kapillarwirkung in"ihre flüssige Phase zurückzubringen.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine die Vorrichtung .und' die Heizeinrichtung uai-

   Isolierhülse.

   13· Vorrichtung nach Anspruch 12,.-.dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung ein elektrisches Heizelement enthält, das nahe dem einen Ende der Vorrichtung angeordnet ist. ,

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   14. 'Vorrichtung, iiacli Anspruch 13» dadux-ch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement eine Heizspule (16) äst, die die Vorrichtung umgibt.

   15· Vorrichtung nach Anspruch. 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement im Abstand befindliche Heizstäbe-("35) enthält.

   16. Diffusionsofen, &«ffceimzelehnet durch ein Heizrohr (?'l) mit einem mittleren, sich ixi Längsrichtung von dom einen zum anderen Ende des Rohres (2Ί·) erstreitkenden Raun, ein Behandlungsrolir (22), das in. dein Raum des Heizrohres (2Λ) angeordnet ist, in -lessen Längsrichtung verläuft und. einen langgestreckten-"' Beliandlungsberexoh begrenzt, in den Halbleiterkörper einem Diffusionsvorgang untervrorfen werden können, und eine Heizeinrichtung für das Heizrohr (⁰^)₅ mittels der die gesamte Oberfläche des Behand.lim£jsrohrs (22) isotherm wird und ein flaches profil innerhalb und über- die gesamte Längn 1-mggestreckten Btihandlungsbereichs gebildet wird, der sich in Län£si*ichtuug des Heizrohres (,2^i) erstreckt.

   17· Ofen nach Anspruch i6, dadurch gekennzeichnet, das ρ die He.izeinrichtung eine schraubenlinienförmige Heizspule (16) enthält, die das Heizrohr (2^) auf elneui Stück umgibt, das iiresentlicii kürzer ist als die Länge des Heizrohres.

   18*. Ofen nach Anspruch. 17» dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr (24) und das Behandlungsrohr ("^?) kreiszylindrisch ausgebildet sind*

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   1f>. Ofen na"lr Anspruch. 1?» gfkennzei clinet durch ein Tragrohr (6O_fFig. 6) , das das Heizrohr umgibt und um das die srhi-aubenlinifiirörmign Heizspule* (5^) angeordnet -1st.

   20. Ofon nacli Anspruch 1ö, dadurch gekennzeichnet, dass die Hei zeinrichtung sinusförmige elektrische Windungen (Fig. 8) aufweist, die quer zur Längsrichtung des Heizrohres (2Ov) verlaufen.

   21. Ofen, nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung sinusförmige elektrische Windungen (Fig. 9) enthält, die parallel zur Längsrichtung des Heizrohres (20b) verlaufen.

   22. Ofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (58a) sinusförmige elektrische Windungen enthält, die den Umfang dee Heizrohres (2Qa) teilweise bedecken.

   23· Ofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung sinusföxmige elektrische Windungen enthält, die kürzer sind als das Heizrohr,

   2h» Ofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Heiss-rohr (2Oa₁ Fig. 8) und das Behandlungsrohr (62a) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

   2-5· Diffusionsofen, gekennzei chnet dux-ch ein langgestrecktes äusseres Gehäuse (50, Fig. 6), eine thermisch isolierende Verkleidung in dem ausseren Gehäuse (50), die einen zentralen Längsraum bildet,

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   ein offenes Heizrohr (20) in dem Raum, ein Behandlungsrohr (62), das. in dem Heizrohr (20) angeordnet ist,· sich in dessen Längsrichtung erstreckt und eine Öffnung aufweist, durch die in einem Behälter (66) befindliche -Halbleiterkörper eingebracht und längs der gesamten Länge des Behändlungsrohres (62) angeordnet werden können, das von dem Heizrohr (2O) umgeben ist, ein Heizelement, das nahe dem Heizrohr (2O) zur Zufüh rung von Wärme angeordnet ist und sich über wenigstens einen Teil dessen Oberfläche erstreckt, wodurch im A wesentlichen die gesamte Oberfläche des Heizrohres

   (20) einen gleichmässigeii Temper a tür zustand" annimmt und ein flaches Temperaturprofil längs der gesamten Länge des Behandlungsrohres (62) ausgebildet wird, das von dem Heizrohr bedeckt ist, eine Temperatürmesseinrichtung (76)» die thermisch mit dem Heizrohr .(2.O) in Verbindung steht, um dessen Temperatur zu ermitteln, ein Netzgerät (72), das mit dem Heizelement zur Zuführung von Wärmeenergie verbunden ist, und eine Energiesteuei-ednrichtung (7Ό» die zwischen die Temperaturmesseinrichtung (76) und das Netzgerät (72) zur Steuerung der Energiezufuhr zu dem Heizelement in Abhängigkeit von Signalen der Temperaturmesseinrichtung (76) geschaltet ist, um die Temperatur des Heizrohres (20) im wesentlichen konstant zu halten.

   20. Ofen nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr (20) und das Behändlungsrohr (62) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

   27. Ofen nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine schraubenlinienförmige elektrische Spule (58) aufweist.

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   28. Ofen nach Anspruch. 25» dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr (20a,20b) und das Behandlungsrohr (62a, 62b) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

   29· Ofen nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (58^a» Fig. 8) flach ausgebildet ist, riur an einer Seite des Heizrohres (2Oa) angeordnet ist und eine Anzahl von sinusförmigen Windungen eines elektrischen Leiters enthält.

   30. Ofen nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (58b, Fig. °) flach ausgebildet ist, an inehrex'en Seiten des Heizrohres (2Ob) angeordnet ist und eine Anzahl_von sinusförmigen Windungen eines elektrischen Leiters enthält.

   31» Ofen, gekennzeichnet durch ein äusseres Gehäuse, eine thermische Isolation, die das Innere des Gehäuses bedeckt und einen zentralen, langgesti'eckten offenen Raum bildet, ein offenes Heizrohr, das in dem Raum angeordnet ist, ein Heizelement, das nahe dem Heizrohr zur Zuführung von thermischer Energie angeordnet ist und wenigstens einen Teil der äusseren Oberfläche des Heizrohres bedeckt, wodurch die gesamte Oberfläche des Heizrohres einen im wesentlichen isothermen Zustand annimmt und ein gleichmässiges Temperaturprofil im gesaraten Inneren des Heizrohres gebildet wird, eine Energiequelle, um dem Heizelement Wärmeenergie zuzuführen, und eine Teinperatursteuereinrichtung, die an die Energiequelle angeschlossen ist, um die Temperatur des Heizrohres zu ermitteln und die ■ dem Heizelement von der Energiequelle zugeführte Energie derart zu ändern, dass die Temperatur des Heizrohres im wesentlichen konstant gehalten wird.

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   SAD ORiGINAL

   32. Ofen nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine elektrische Heizeinrichtung ist.

   33· Ofen nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine schraubenlinienförmige Spule
   enthält, die wesentlich weniger als die gesamte
   Länge des Heizrohres bedeckt.

   Jh. Ofen nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement einen sinusförmigen elektrischen
   Leiter enthält.

   35· Ofen nach Anspruch 3^> dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr einen rechteckigen Querschnitt besitzt.

   36. Öfen nach Anspruch 33i dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

   OKHHV-H, flHCSB. BIPL-ING. H. BOHR iGM

   BAQ ORIGINAL 009830/1141

   Le e rseit e