Die Erfindung betrifft eine gasdichte Durchführung durch ein
Prozessrohr in eine innerhalb des Prozessrohres befindliche
Prozesskammer zur Zu- oder Ableitung von Prozessgasen, mit
einer damit verbundenen und sich längs des Prozessrohres in
nerhalb der Prozesskammer erstreckenden Gaslanze.
Für die Herstellung von Halbleiterschaltkreisen ist es notwen
dig, zunächst geeignete Strukturen auf Halbleiterscheiben zu
erzeugen, was beispielsweise durch einander abwechselnde
Strukturierungs-, Beschichtungs- und Ätzschritte erfolgt.
Diese Beschichtungs- und Ätzschritte werden üblicherweise in
Prozesskammern durchgeführt, die gegenüber der Umwelt abge
schirmt sind. Da einerseits unter Umständen hohe Prozesstempe
raturen gefahren werden müssen und andererseits verhindert
werden muß, daß den Prozessgasen unkontrolliert fremde Stoffe
beigemischt werden, hat sich die Verwendung von Prozessrohren
aus Quarz oder Siliziumcarbid hierfür als besonders geeignet
erwiesen. Im Interesse einer günstigen Beschickung dieser
Prozessrohre mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten
Halbleiterscheiben werden die Prozessrohre bevorzugt vertikal
in eine entsprechende Anlage eingesetzt.
Um alle im Prozessrohr in der Prozesskammer befindlichen Halb
leiterscheiben exakt gleichmäßig zu behandeln, ist es notwen
dig, innerhalb der Prozesskammer einen definierten Gasstrom
längs der Prozesskammer zu bekommen, so daß an allen darin
befindlichen Halbleiterscheiben während des Behandlungsvorgan
ges die gleiche Gasmenge vorbeistreicht. Um dies zu erreichen,
wird der Gaseinlaß an einem Ende des Prozessrohres und der
Gasauslaß am gegenüberliegenden anderen Ende des Prozessrohres
angeordnet.
Wegen der Verwendung von toxischen Gasen während der eingangs
beschriebenen Prozessschritte muß am Gaseinlaß und am Gas
auslaß des Prozessrohres gewährleistet werden, daß gegenüber
der Umwelt ein gasdichter Anschluß erreicht wird. Hierfür
ansonsten übliche Verschraubungen mit Quetschdichtungen schei
den aus den verschiedensten Gründen aus. Solche Gründe sind
beispielsweise die mögliche Kontamination der Prozessgase mit
unerwünschten Fremdstoffen und das Entstehen von Undichtig
keiten in Folge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten.
Aus diesem Grund werden für die Anordnung der Gasanschlüsse
innerhalb des Prozessrohres Gaslanzen verwendet, die längs in
das Prozessrohr eingeschoben und dort räumlich fixiert werden.
Durch diese Gaslanze kann damit am jeweils gegenüberliegenden
Ende der Prozesskammer innerhalb des Prozessrohres Gas einge
blasen bzw. abgesaugt werden.
Für Prozesskammern in vertikaler Anordnung haben sich für die
Anordnung der Gaslanzen drei Varianten mit jeweils unter
schiedlichen Vor- und Nachteilen durchgesetzt. So ist es mög
lich, die Gaslanze zumindest partiell auf die Innenwand des
Prozessrohres aufzuschweißen und am Ende durch die Wandung des
Prozessrohres nach außen durchzuführen und dichtzuschweißen.
Dieses Fertigungsverfahren ist äußerst zeitaufwendig und bürgt
gleichzeitig die Gefahr in sich, daß das Prozessrohr oder die
aufgeschweißte Gaslanze in Folge innerer Spannungen durch die
thermischen Belastungen beim Schweißen reibt. Derartige Risse
führen zur sofortigen Unbrauchbarkeit der Vorrichtung, wobei
diese Risse auch erst beim späteren Aufheizen des Prozess
rohres auf die entsprechende Betriebstemperatur auftreten
können. Die mit dem Einschweißen der Gaslanze verbundenen
fertigungstechnischen Aufwendungen führen zu einer erheblichen
Erhöhung des Herstellungspreises der Prozessrohre. Ein weite
rer Nachteil dieser Variante ist darin zusehen, daß die fest
eingeschweißten Gaslanzen während der Montage des Prozess
rohres in eine entsprechende Vorrichtung oder während des
Betriebes der Prozesskammer beim Be- oder Entladen durch
mechanischen Einfluß beschädigt werden können. In diesem Fall
muß das gesamte Prozessrohr aus der Anlage demontiert und
anschließend beim Hersteller repariert werden, sofern dies
möglich ist.
Um letzteren Nachteil zu umgehen, ist es auch möglich, die
Gaslanzen auf der Außenseite des Prozessrohres auf zuschweißen
und ein Ende durch die Wandung des Prozessrohres in die Pro
zesskammer zu führen und am Ort der Durchführung dicht zu
schweißen. Ansonsten weist diese Variante die gleichen Proble
me auf, wie die Variante mit innenliegender Gaslanze.
Werden geeignete Möglichkeiten zur Fixierung der Gaslanzen
gefunden, so ist es nicht notwendig, diese partiell oder in
ihrer gesamten Länge auf die Innen- oder Außenseite des
Prozessrohres aufzuschweißen. Problematisch bleibt in jedem
Fall die Durchführung des Endes der Gaslanze durch die Wandung
des Prozessrohres oder zumindest die Schweißverbindung zwi
schen Gaslanze und Prozessrohr.
Um diese Probleme zu umgehen, besteht prinzipiell auch die
Möglichkeit, die Gaslanze von oben in das Prozessrohr einzu
stecken und durch Schliffe oder Quetschverschraubungen ab
zudichten. Der Nachteil dieser Variante ist darin zu sehen,
daß die Montage der Gaslanze von oben erfolgen muß, wobei
bereits das Einfädeln problematisch ist und zusätzlich eine
zuverlässige und dauerhafte Abdichtung kaum erreicht werden
kann. Außerdem führen die zum Abdichten erforderlichen Materi
alien zu den bereits beschriebenen Schwierigkeiten. Darüber
hinaus ist die an sich gewünschte gleichmäßige Isolierung des
Prozessrohres nicht möglich, da ein Freiraum freigehalten wer
den muß, durch den die Gaslanze in das Prozessrohr geschoben
werden kann.
Aufgrund dieser bekannten Mängel des Standes der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gasdichte Durch
führung durch ein Prozessrohr zu schaffen, die unter allen
Prozessbedingungen eine hohe Dichtheit gewährleistet und die
eine unproblematische Wartung vor Ort erlaubt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei
einer gasdichten Durchführung der eingangs genannten Art da
durch gelöst, daß die Gaslanze mit einem Anschlußstutzen ver
sehen ist, der in axialer Anordnung durch eine Öffnung im
Prozessrohr greifend, kraftschlüssig und gasdicht mit einem
Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohr außerhalb des Prozessrohres in
Verbindung steht.
Durch diese besonders einfache Lösung wird eine gasdichte
Durchführung geschaffen, die eine besonders grobe Lebensdauer
aufweist und die besonders einfach montiert und gewartet wer
den kann. Die Montage der Gaslanze kann durch die Erfindung
nunmehr auf einfache Weise von unten erfolgen, so daß es nicht
mehr erforderlich ist, bei defekter Gaslanze das gesamte Pro
zessrohr auszuwechseln.
Um für die Realisierung der erfindungsgemäßen gasdichten
Durchführung Standardbauteile verwenden zu können, ist das
Prozessrohr auf der Außenseite der Öffnung mit einem Stutzen
versehen, der die Öffnung koaxial verlängert. Der Stutzen ist
dabei mit dem Prozessrohr gasdicht verschweißt und das Gas
einlaß-/Auslaßzwischenrohr axial dichtend auf diesen auf
setzbar.
In Fortführung der Erfindung ist das Gaseinlaß-/Auslaß
zwischenrohr mit einer Innendichtfläche versehen, die mit
einer auf dem Stutzen befindlichen Außendichtfläche zusammen
wirkt.
Damit eine verspannungsfreie und gasdichte Montage des Gas
einlaß-/Auslaßzwischenrohres am Stutzen gewährleistet wird,
sind die Innen- und die Außendichtfläche jeweils als kugelka
lottenförmige Dichtfläche ausgebildet und mit einem Standard
kugelschliff versehen. Durch die Verwendung des Standardkugel
schliffes werden auch geringe Herstellungskosten gewährlei
stet. Selbstverständlich ist es auch möglich, an Stelle der
kugelkalottenförmigen Dichtflächen auch Kegeldichtflächen
o. dgl. vorzusehen. In diesen Fällen muß jedoch ein äußerst
präziser Schliff der Dichtflächen erfolgen, um eine verspan
nungsfreie Montage zu ermöglichen.
Zur räumlichen Fixierung der Gaslanze innerhalb des Prozess
rohres ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß der am Prozessrohr angeschweißte Stutzen
an seinem zum Prozessrohr weisenden Ende mit einer kugelka
lottenförmigen Innenfläche zur axialen Aufnahme des Anschluß
stutzens der Gaslanze versehen ist. Der Anschlußstutzen der
Gaslanze besitzt zu diesem Zweck auf seiner Außenseite einen
entsprechenden kugelkalottenförmigen Anschliff, so daß beim
kraftschlüssigen Zusammenfügen der gasdichten Durchführung an
dieser Stelle gleichzeitig eine räumliche Fixierung der Gas
lanze erreicht wird. Eine besondere Gasdichtheit ist an dieser
Stelle jedoch nicht notwendig.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein mit
einem Haken versehener Haltestab vorgesehen, der sich axial
durch den Stutzen der Gaslanze, den Anschlußstutzen am Prozes
srohr und das Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohr erstreckt. Der
Haken ist an der Innenwand des Prozessrohres verhakt und mit
seinem anderen Ende gasdicht durch das Gaseinlaß-/Auslaß
zwischenrohr nach außen geführt. Auf diese Weise läßt sich
eine besonders einfache Montage der erfindungsgemäßen gasdich
ten Durchführung realisieren, da zunächst die Gaslanze in das
Prozessrohr einzuschieben ist und mit Ihrem Anschlußstutzen
auf die Innenfläche des Stutzens aufzusetzen ist. Anschließend
ist der Haltestab mit seinem Haken durch den Stutzen in die
Gaslanze einzuführen und dort zu verhaken und nachfolgend das
Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohr auf den Haltestab aufzuschieben.
Mit dem nach außen geführten Ende des Haltestabes lädt sich
dann der gewünschte Kraftschluß durch Ziehen bzw. Drücken am
Haltestab bzw. am Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohr erzeugen.
Um die axiale Montage des Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohres auf
dem Haken zu erleichtern und gleichzeitig den Haken radial
festzulegen, ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest innerhalb des Gaseinlaß-
/Auslaßzwischenrohres ein sich in axialer Richtung erstrecken
des Führungsrohr zur Aufnahme des Haltestabes angeordnet ist,
wobei das Führungsrohr die Wandung des Gaseinlaß-/Auslaß
zwischenrohres durchdringt. Das Führungsrohr ist mit dem Gas
einlaß-/Auslaßzwischenrohr gasdicht verschweigt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die
Abdichtung zwischen dem Führungsrohr im Gaseinlaß-/Auslaß
zwischenrohr und dem Haltestab durch eine selbst nachstellende
Dichtung. Diese selbst nachstellende Dichtung ist bevorzugt
als federbelasteter, den Haltestab umschließender kegelförmi
ger Dichtkeil ausgebildet. Vorzugsweise wird der Dichtkeil aus
PTFE (Polytetrafluorethylen) hergestellt.
Die selbst nachstellende Dichtung wird bevorzugt dadurch rea
lisiert, daß auf dem Haltestab außerhalb des Gaseinlaß-/Aus
laßzwischenrohres eine Klemme angeordnet wird, an der sich ein
Federelement, beispielsweise eine Druckfeder mit vorgegebener
Federkraft abstützt, wobei das andere Ende des Federelementes
am Dichtkeil anliegt. Durch die axiale Positionierung der
Klemme auf dem Haltestab lädt sich die Federkraft entsprechend
den Erfordernissen einstellen.
Auf diese besonders einfache Weise wird einerseits eine selbst
nachstellende Dichtung geschaffen und andererseits gleich
zeitig die für die Realisierung der Gasdichtheit und der räum
lichen Lagefixierung der Einzelteile der gasdichten Durch
führung erforderliche Kraftschluß erzeugt.
Eine besondere Fortbildung der Erfindung ist dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohr, der Stutzen,
die Gaslanze mit dem Anschlußstutzen und der Haken aus Quarz
glas bestehen. Damit wird gewährleistet, daß sich in der Pro
zesskammer und dem anschließenden Bereich der gasdichten
Durchführung kein Metall befindet. Das hat den besonderen
Vorteil, daß auch bei einer Feuchtoxidation in der Prozess
kammer kein Verschleiß der Einzelteile der gasdichten Durch
führung auftreten kann.
Eine besondere Variante der gasdichten Durchführung ist
dadurch gekennzeichnet, daß das Gaseinlaß-/Auslaßzwischenrohr
aus einem Kunststoff-Dichtelement besteht, das zwischen zwei
Flanschen angeordnet ist, wobei sich der Gaskanal im Stutzen
in das Dichtelement erstreckt und mit dem Außenanschluß in
Verbindung steht. Der Haltestab ist mit seinem Haken an der
Innenwand der Gaslanze verhakt und sowohl durch den Gaskanal,
als auch und durch den Flansch gasdicht nach außen geführt und
mit einer Klemme versehen, an der sich eine Druckfeder ab
stützt, deren anderes Ende am Flansch anliegt.
Zur Erhöhung der Stabilität wird das Kunststoff-Dichtelement
durch eine Stützhülse umgeben, wobei die Flansche durch
wenigstens eine Druckschraube miteinander verbunden sind.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht der erfin
dungsgemäßen gasdichten Durchführung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1;
Fig. 3 im Schnitt dargestellte Einzelteile der gasdichten
Durchführung;
Fig. 4 eine Variante der Abdichtung des Haltestabes im
Führungsrohr;
Fig. 5 eine Ausführung des Anschlußstutzens der Gaslanze mit
einem Kegelschliff;
Fig. 6 eine weitere Ausführung des Anschlußstutzens der Gas
lanze mit einem Planschliff; und
Fig. 7 eine Variante der gasdichten Durchführung in vacuum
dichter Ausführung.
Entsprechend Fig. 1, 2 ist ein Prozessrohr 1, in dem sich eine
Prozesskammer 2 befindet, mit einer Öffnung 3 in deren Wandung
versehen. Das Prozessrohr besteht üblicherweise aus Quarz oder
Siliziumcarbid. Auf der Innenseite des Prozessrohres 1 ist
eine sich in dessen Längsrichtung erstreckende Gaslanze 4
angeordnet, die mit einem Anschlußstutzen 5 versehen ist. Der
Anschlußstutzen 5 greift durch die Öffnung 3 das Prozessrohres
1 und ist auf seiner Außenseite mit einem Kugelschliff verse
hen und liegt an der Innenfläche 7 eines Stutzens 8 an, der
mit dem Rand 9 der Öffnung 3 gasdicht verschweißt ist (Fig.
3).
Anstelle des Kugeschliffs am Anschlußstutzen 5 kann auch ein
Kegelschliff (Fig. 6) oder ein Planschliff (Fig. 7) vorgesehen
werden. Diese Schliffe müssen jedoch äußerst exakt ausgeführt
sein, um eine einwandfreie Anlage des Anschlußstutzens 5 an
der Innenfläche 7 des Stutzens 8 und gleichzeitig der Gaslanze
4 an der Innenwand des Prozessrohres 1 zu erreichen.
Der Stutzen 8 ist an seinem der Innenfläche 7 gegenüberliegen
den Ende mit einer Außendichtfläche 10 zur gasdichten Aufnahme
der Innendichtfläche 6 eines Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohres
11 versehen. Zur Gewährleistung der Gasdichtheit sind die
Außendichtfläche 10 und die Innendichtfläche 6 mit einem Stan
dardkugelschliff versehen.
Zur Zuführung oder Ableitung des Prozessgases erstreckt sich
durch den Anschlußstutzen 5 der Gaslanze 4, den Stutzen 8 und
das Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohr 11 ein Gaskanal 12, der mit
einem Außenanschluß 13 des Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohres 11
in Verbindung steht. Der sich axial durch den Anschlußstutzen
5, den Stutzen 8 und das Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohr 11
erstreckende Gaskanal 12 endet im Gaseinlaß-/ Auslaßzwischen
rohr 11. In dem Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohr 11 ist ein
Führungsrohr 14 angeordnet, welches sich in axialer Richtung
im Gaskanal 12 erstreckt und zur Aufnahme eines Haltestabes 15
vorgesehen ist und diesen radial fixiert. Der Haltestab 15 ist
mit einem Haken 16 versehen, der sich in die Gaslanze 4 er
streckt und sich im montierten Zustand an deren Innenwand
verhakt. Um den Haltestab 15 in die Gaslanze 4 einführen zu
können, ist die Länge des Hakens so gewählt, daß dieser durch
den Gaskanal 12 in die Gaslanze 4 eingeführt werden kann.
Das aus dem Führungsrohr 14 ragende Ende des Haltestabes 15
ist mit einer selbst nachstellenden Dichtung versehen. Diese
selbstnachstellende Dichtung besteht aus einem Dichtkeil 17,
der durch eine Druckfeder 18 von außen in das Führungsrohr 14
gedrückt wird. Die Druckfeder 18 stützt sich zu diesem Zweck
mit einem Ende auf dem Dichtkeil 17 und mit dem anderen Ende
an einer axial verstellbaren Klemme 19 ab. Auf diese Weise
kann auf den Dichtkeil 17 eine Druckkraft und auf den Halte
stab 15 gleichzeitig eine Zugkraft ausgeübt werden, welche die
Innendichtfläche 6 des Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohres 11 mit
der Außendichtfläche 10 des Stutzens 8 kraftschlüssig und
gasdicht verbindet und gleichzeitig den Anschlußstutzen 5 der
Gaslanze 4 gegen die Innenfläche 7 des Stutzens 8 drückt und
somit gleichzeitig die Gaslanze 4 im Prozessrohr 1 räumlich
fixiert.
Anstelle des Dichtkeiles 17 kann für eine ausreichende Abdich
tung auch ein O-Ring 17' in Verbindung mit einer Andruckplatte
17''vorgesehen werden, auf der sich die Druckfeder 18 ab
stützt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist.
Die gasdichte Durchführung kann sehr einfach montiert werden,
indem die Gaslanze mit ihrem Anschlußstutzen 5 so in das Pro
zessrohr 1 eingesetzt wird, daß der Anschlußstutzen 5 an der
Innenfläche 6 des Stutzens 8 anliegt. Anschließend wird der
Haltestab 15 mit seinem Haken 16 durch den Gaskanal 12 im
Stutzen 8 und im Anschlußstutzen 5 in die Gaslanze 4 einge
führt und dort verhakt und nachfolgend das Gaseinlaß-/ Aus
laßzwischenrohr 11 auf den Haltestab 15 und gleichzeitig auf
die Außendichtfläche 10 des Stutzens 8 aufgeschoben. Danach
ist lediglich der Dichtkeil 17 mit der Druckfeder 18 auf dem
Haltestab 15 zu montieren und mit Hilfe der Klemme 19 die
erforderliche Federkraft einzustellen.
Die Demontage der gasdichten Durchführung kann in umgekehrter
Reihenfolge erfolgen.
Aus Fig. 7 ist eine vakuumdichte Variante der gasdichten
Durchführung ersichtlich, bei der der Stutzen 8 zylindrisch
ausläuft, wobei auf diesem Stutzen 8 ein Dichtelement aufge
schoben ist, das aus zwei im Abstand zueinander angeordneten
Flanschen 20, 21 besteht, zwischen denen sich ein PTFE-Dicht
element 22 befindet. Die Abdichtung des Stutzens 8 gegenüber
dem Flansch 20 erfolgt hier durch Dichtringe 23, 24 und des
Haltestabes 15 gegenüber dem Flansch 21 durch Dichtringe 25,
26, wobei sich der Flansch 21 in das PTFE-Dichtelement 22 und
mit seinem vorderen Ende, welches mit dem Dichtring 25 verse
hen ist, gegen eine Kegeldichtfläche 27 gedrückt wird. Der
Haltestab 15 erstreckt sich hier wie bei der Ausführung der
gasdichten Durchführung nach Fig. 1 durch den Gaskanal 12
innerhalb des PTFE-Dichtelementes 22, wobei die erforderliche
Druckraft für den axialen Zusammenhalt der einzelnen Elemente
der Durchführung hier ebenfalls durch eine Druckfeder 18 er
zeugt wird, die sich zwischen der Klemme 19 und dem Dichtkeil
17 bzw. der Druckplatte 17'' des O-Ringes l7' befindet.
Die beiden Flansche 20, 21 bilden mit dem PTFE-Dichtelement 22
eine kompakte Einheit, die mit Hilfe von Druckschrauben 28
zusammengehalten wird. Um dabei dem PTFE-Dichtelement 22 eine
ausreichende Stabilität zu geben, wird dieses durch eine
Stützhülse 29 umgeben, in die der Außenanschluß 13 gasdicht
eingesetzt ist.
Die demontierbare Durchführung ist besonders einfach montier
bar, wobei im Reparaturfall eine Demontage des Prozessrohres
1 aus der zugehörigen Anlage entfällt. Beschädigte Einzelteile
können durch die erfindungsgemäße Lösung jederzeit und schnell
ausgetauscht werden.
Dadurch, daß die Einzelteile der Durchführung durch Kraft
schlug mittels Federkraft zusammengehalten werden, wird eine
selbst nachstellende Abdichtung gewährleistet und die Gefahr
von thermisch bedingten Verspannungen erheblich reduziert.
Bezugszeichenliste
1
Prozessrohr
2
Prozesskammer
3
Öffnung
4
Gaslanze
5
Anschlußstutzen
6
Innendichtfläche
7
Innenfläche
8
Stutzen
9
Rand
10
Außendichtfläche
11
Gaseinlaß-/ Auslaßzwischenrohr
12
Gaskanal
13
Außenanschluß
14
Führungsrohr
15
Haltestab
16
Haken
17
Dichtkeil
17
' O-Ring
17
'' Andruckplatte
18
Druckfeder
19
Klemme
20
Flansch
21
Flansch
22
PTFE-Dichtelement
23
Dichtring
24
Dichtring
25
Dichtring
26
Dichtring
27
Kegeldichtfläche
28
Druckschraube
29
Stützhülse