DE19800672A1 - Vakuumverschluß für Prozeßrohre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumverschluß für Prozeßrohre aus Quarz oder Siliziumcarbid (SiC) mit einem Flansch zur Auf­ nahme eines Verschlußelementes unter Zwischenlage von Dichtun­ gen, wobei das Verschlußelement mit dem Flansch kraftschlüssig verbunden ist und der innerhalb des Prozeßrohres befindliche Prozeßraum evakuierbar ist.

Derartige Prozeßrohre werden für die thermische und/oder chemische Bearbeitung der verschiedensten Produkte im Nieder­ druckbereich eingesetzt.

Beispielsweise ist es für die Herstellung von Halbleiterbau­ elementen notwendig, auf den hierfür verwendeten Halbleiter­ scheiben die entsprechenden Halbleiterstrukturen auszubilden. Dies erfolgt in der Regel durch die Abscheidung von Schichten auf den Halbleiterscheiben, sowie anschließende Belichtungs-, bzw. Strukturierungs- und Ätzprozesse, die mit entsprechenden Prozeßgasen durchgeführt werden. Die Beschichtungs- und Ätz­ prozesse werden dabei in sogenannten Prozeßrohren durchge­ führt, in denen sich die Hableiterscheiben während dieser Prozesse befinden. Diese Prozeßrohre müssen sicherstellen, daß die Prozeßgase nicht verunreinigt werden. Aus diesem Grund werden hierfür Quarz- oder Siliziumcarbidrohre verwendet, die einerseits eine sehr hohe Temperaturbelastbarkeit aufweisen und andererseits eine Kontamination der Prozeßgase mit un­ erwünschten Stoffen sicher verhindern.

Problematisch sind jedoch die für die Handhabung notwendigen Öffnungen in den Prozeßrohren, insbesondere diejenigen Öff­ nungen, durch welche beispielsweise die Halbleiterscheiben in das Prozeßrohr einzuführen sind. Diese Öffnungen, die mit einem entsprechenden Flansch versehen sind, müssen das Prozeß­ rohr während des jeweils ablaufenden Prozesses auch bei höheren Temperaturen vakuumdicht verschließen.

Mit handelsüblichen Vakuumverschlüssen, bestehend aus einem verschraubten oder verspannten Metalldeckel aus Edelstahl und zwischengelegten Dichtungen, ist zwar eine ausreichend gute Abdichtung erreichbar, jedoch sind hierbei eine Reihe von Nachteilen nicht zu vermeiden.

So kann bei der Verwendung von Metalldeckeln nicht verhindert werden, daß die Prozeßgase im Prozeßraum mit Metallpartikeln kontaminiert werden, da die Prozeßgase unmittelbar mit der Innenseite des Metalldeckels in Berührung kommen. Außerdem ist die Temperaturbelastbarkeit eines solchen Vakuumverschlusses begrenzt, so daß es erforderlich werden kann, den Bereich des Vakuumverschlusses zusätzlich zu kühlen. Diese Kühlung kann z. B. durch eine Wasserkühlung erfolgen, was jedoch den Aufwand insgesamt vergrößert. Auch wird dadurch eine eventuell nötige Auswechslung oder Wartung des Prozeßrohres wesentlich er­ schwert.

Besonders nachteilig ist bei einer derartigen Anordnung, daß die Temperatur des Bereiches des Vakuumverschlusses auf einem relativ niedrigen Niveau gehalten werden muß, was zu Ab­ platzungen innerhalb des Prozeßrohres und damit zu einer Ver­ größerung der Anzahl der Partikel im Prozeßraum führen kann.

Anstelle der Verwendung von Metalldeckeln ist es grundsätzlich auch möglich, für den Vakuumverschluß Siliziumcarbid- oder Quarzplatten zu verwenden, die unter Zwischenlage von Dichtun­ gen auf dem Flansch zu befestigen sind. Diese Platten haben aber den entscheidenden Nachteil, daß sie im Vergleich zu Metalldeckeln eine wesentlich geringere Belastbarkeit auf­ weisen, wobei insbesondere deren geringe Elastizität nachtei­ lig ist.

Es muß also bei der Verwendung von Siliziumcarbid- oder Quarz­ platten als Verschlußelemente damit gerechnet werden, daß während des Betriebes zumindest Risse entstehen können, die eine sofortige Unterbrechung des Prozesses im Prozeßrohr not­ wendig machen können. Auch besteht die Gefahr des Bruches des Verschlußelementes.

Mit diesen Verschlußelementen kann zwar einerseits eine Me­ tallkontamination der Prozeßgase zuverlässig verhindert werden, anderseits ist aber die Zuverlässigkeit derartiger Vakuumverschlüsse zu gering.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumverschluß für Prozeßrohre mit hoher Lebensdauer zu schaffen, der einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auf­ weist und der insbesondere eine höhere Temperaturbelastbarkeit besitzt.

Diese Aufgabenstellung wird bei einem Vakuumverschluß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Verschlußele­ ment auf seiner Außenseite gegenüber dem Prozeßraum mit einem Unterdruck (Vakuum) als Gegenvakuum beaufschlagbar ist.

Mit dieser überraschend einfachen Lösung ist es möglich, Ver­ schlußelemente zu verwenden, die mechanisch nur gering belast­ bar sind, da durch den Druckausgleich infolge des Gegenvakuums keinerlei Kräfte auf das Verschlußelement ausgeübt werden, wenn der Unterdruck im Prozeßraum dem Unterdruck auf der Außenseite des Verschlußelementes entspricht. Bei Druckände­ rungen im Prozeßraum ist darauf zu achten, daß diese sich gleichzeitig auf den Druck des Gegenvakuums auswirken, so daß die mechanische Belastung des Verschlußelementes auch bei Druckänderungen gering gehalten wird.

In Fortführung der Erfindung ist auf der Außenseite des Ver­ schlußelementes eine Unterdruckkammer angeordnet, die mit der Einrichtung für die Vakuumerzeugung im Prozeßraum verbunden ist. Damit wird auf einfache Weise gewährleistet, daß der Druck auf beiden Seiten des Verschlußelementes ständig gleich oder annähernd gleich ist, so daß das Evakuieren oder Belüften des Prozeßraumes keinerlei Belastung für den Vakuumverschluß darstellt.

Das Verschlußelement besteht bevorzugt aus Quarzglas oder Siliziumcarbid, wodurch jede störende Kontamination des Prozeßraumes durch Materialien des Verschlußelementes verhin­ dert wird.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Ver­ schlußelement als Hutbaffle ausgebildet, das wesentlich kostengünstiger ist, als die ebenfalls einsetzbaren Platten­ baffles.

Zum Aufbau des Vakuumverschlusses wird das Hutbaffle in das Prozeßrohr eingesetzt und stützt sich mit seinem Flansch gleichzeitig am Flansch des Prozeßrohres ab, wobei zwischen dem Flansch am Hutbaffle und dem Flansch am Prozeßrohr eine Dichtung angeordnet ist.

Das Hutbaffle ist weiterhin auf seiner Außenseite durch einen Metalldeckel verschlossen, wodurch gleichzeitig die erforder­ liche Unterdruckkammer auf der Außenseite des Verschlußelemen­ tes gebildet wird. Dieser Metalldeckel weist jedoch keinerlei Verbindung zum Prozeßraum auf, so daß auch keinerlei Metall­ kontamination im Prozeßraum möglich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Metall­ deckel mit einem Vakuumanschluß versehen und gegenüber dem Hutbaffle abgedichtet.

Eine besonders bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Vakuumverschlusses ist dadurch gekennzeichnet, daß der Metall­ deckel auf den Flansch des Hutbaffles aufgesetzt ist, wobei der äußere Rand des Metalldeckels gleichzeitig den Flansch des Hutbaffles umschließt und die Dichtung zwischen dem Flansch des Prozeßrohres und dem Flansch des Hutbaffles räumlich fixiert. Dadurch besitzt der Vakuumverschluß einen besonders einfacher Aufbau und ist somit auch einfach zu montieren bzw. für Wartungszwecke einfach zu demontieren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Innen­ raum des Hutbaffles mit einem Isoliermaterial ausgefüllt, das beispielsweise aus Quarzwolle besteht.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind darin zu sehen, daß keinerlei Metallkontamination im Prozeß­ raum möglich ist, da zwischen den Metallteilen des Vakuumver­ schlusses und dem Prozeßraum keinerlei Verbindung besteht und daß im Bereich des Vakuumverschlusses eine wesentlich höhere Temperatur bis ca. 330°C gefahren werden kann. Darüberhinaus können die gleichen Baffles wie für atmosphärische Prozesse verwendet werden, so daß für Vakuumverschlüsse keine besondere Konstruktion erforderlich ist. Außerdem ist das Nachrüsten von Vakuumverschlüssen mit dem erfindungsgemäßen Vakuumverschluß problemlos möglich.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und einer Zeichnungsfigur näher erläutert werden.

Auf der Zeichnungsfigur ist ein Abschnitt eines Prozeßrohres 1 dargestellt, das einen Prozeßraum 2 umschließt. Im unteren Teil des Prozeßrohres 1 befindet sich ein Flansch 3 zur Auf­ nahme eines Vakuumverschlusses. Dieser Vakuumverschluß besteht aus einem Hutbaffle 4 aus Quarzglas, das mit einem Flansch 5 versehen ist und in das Prozeßrohr 1 hineinragt. Der Flansch 5 des Hutbaffles 4 stützt sich auf dem Flansch 3 des Prozeß­ rohres 1 ab, wobei zwischen den Flanschen 3, 5 eine Dichtung 6 angeordnet ist. Als handelsübliches Material für die Dich­ tung 6 ist beispielsweise PTFE gut geeignet.

Den äußeren Abschluß des Vakuumverschlusses bildet ein Metall­ deckel 7 mit einer inneren Dichtfläche 8, die unmittelbar außen auf dem Flansch 5 des Hutbaffles 4 aufliegt, wobei in die Dichtfläche 8 ein O-Ring 9 eingelassen ist. Da der Metall­ deckel 7 keine Verbindung zum Prozeßraum 2 aufweist, muß die­ ser nicht notwendigerweise aus Edelstahl gefertigt werden, Außerdem ist eine Metallkontamination der Prozeßraumes 2 nicht mehr möglich.

Der Metalldeckel 7 besitzt weiterhin einen Rand 10, der den äußeren Rand des Flansches 5 umschließt und geringfügig über­ steht. Der Rand 10 ist auf seiner Innenseite mit einer um­ laufenden Nut 11 versehen ist. Die Nut 11 ist die Dichtung 6 seitlich eingelegt und somit räumlich fixiert, was die Montage des Vakuumverschlusses wesentlich erleichtert.

Der Metalldeckel 7 ist weiterhin mit einem Vakuumanschluß 12 versehen, so daß eine Verbindung mit einer Vakuumpumpe herge­ stellt werden kann. Innerhalb des Hutbaffles 4 befindet sich eine Unterdruckkammer 13, die durch den Metalldeckel 7 ver­ schlossen wird. Diese Unterdruckkammer 13 ist zur besseren Wärmeisolierung mit einem Isoliermaterial 14, z. B. aus Quarz­ wolle, gefüllt. Damit ist es möglich, am Vakuumverschluß eine wesentlich höhere Temperatur bis ca. 330°C zu fahren.

Über den Vakuumanschluß 12 kann nun in der Unterdruckkammer 13 ein Gegenvakuum erzeugt werden, das dem in der Prozeßkammer 2 vorhandenen Vakuum entgegenwirkt. Damit wird erreicht, daß auf das Hutbaffle 4 keine, oder nur sehr geringe Kräfte einwirken. Die Gefahr einer Beschädigung des Hutbaffles 4 ist damit prak­ tisch nicht mehr vorhanden. Das hat den besonderen Vorteil, daß besonders kostengünstige Baffles eingesetzt werden können, die an sich nur für Normaldruckverhältnisse geeignet sind.

Die Montage des erfindungsgemäßen Vakuumverschlusses ist sehr einfach, indem zunächst der O-Ring 9 in die Dichtfläche 8 des Metalldeckels 7 einzulegen ist. Anschließend wird das Hut­ baffle 4 auf den Metalldeckel 7 gestellt, so daß der äußere Rand des Hutbaffles 4 vom Rand 10 des Metalldeckels 10 um­ schlossen wird. Die Fixierung des Hutbaffles 4 im Metalldeckel 7 erfolgt dann durch Einlegen der Dichtung 6 in die Nut 11 im Rand 10. Diese vormontierte Einheit ist dann lediglich in das Prozeßrohr 1 einzuführen, bis die Dichtung 6 am Flansch 3 anliegt und in dieser Position am Prozeßrohr 1 wie üblich zu fixieren. Danach können die Prozeßkammer 2 und die Unterdruck­ kammer 13 evakuiert werden, bis der gewünschte Prozeßdruck erreicht ist. Bei diesem Vorgang sollte darauf geachtet werden, daß der Druck während des Evakuierens oder Belüftens in der Prozeßkammer 2 und in der Unterdruckkammer 13 möglichst gleich ist. Damit werden auch während dieser Vorgänge mecha­ nische Belastungen des Hutbaffles 4 verhindert und eine lange Lebensdauer gesichert.

Bezugszeichenliste

1

Prozeßrohr

2

Prozeßraum

3

Flansch

4

Hutbaffle

5

Flansch

6

Dichtung

7

Metalldeckel

8

Dichtfläche

9

O-Ring

10

Rand

11

Nut

12

Vakuumanschluß

13

Unterdruckkammer

14

Isoliermaterial

Claims (12)

1. Vakuumverschluß für Prozeßrohre aus Quarz oder Silizium­ carbid mit einem Flansch zur Aufnahme eines Verschluß­ elementes unter Zwischenlage von Dichtungen, wobei das Verschlußelement mit dem Flansch kraftschlüssig verbunden ist und die innerhalb des Prozeßrohres befindliche Prozeß­ raum evakuierbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verschlußelement auf seiner Außenseite gegenüber dem Prozeßraum (2) mit einem Unter­ druck (Vakuum) als Gegenvakuum beaufschlagbar ist.

2. Vakuumverschluß nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Unterdruck im Prozeßraum (2) dem Unterdruck auf der Außenseite des Verschlußelemen­ tes zumindest weitgehend entspricht.

3. Vakuumverschluß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des Verschlußelementes eine Unterdruckkammer (13) angeordnet ist, die mit der Einrichtung für die Vakuumerzeugung innerhalb des Prozeßraumes (2) verbunden ist.

4. Vakuumverschluß nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verschlußelement aus Quarzglas oder Siliziumcarbid besteht.

5. Vakuumverschluß nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement als Hutbaffle (4) ausgebildet ist.

6. Vakuumverschluß nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Hutbaffle (4) in das Pro­ zeßrohr (1) eingesetzt ist und sich mit seinem Flansch (5) am Flansch (3) des Prozeßrohres (1) abstützt.

7. Vakuumverschluß nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flansch (5) am Hutbaffle (4) und dem Flansch (2) am Prozeßrohr (1) eine Dichtung (6) eingelegt ist.

8. Vakuumverschluß nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hutbaffle (4) auf seiner Außenseite durch einen Metalldeckel (7) verschlos­ sen ist.

9. Vakuumverschluß nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Metalldeckel (7) mit einem Vakuumanschluß (12) versehen ist und gegenüber dem Hutbaffle (4) abgedichtet ist.

10. Vakuumverschluß nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Metalldeckel (7) auf den Flansch (5) des Hutbaffles (4) aufgesetzt ist, wobei der äußere Rand (10) des Metalldeckels (7) gleichzeitig den Flansch des Hutbaffles (4) umschließt und die Dichtung (6) zwischen dem Flansch (3) des Prozeßrohres (1) und dem Flansch (5) des Hutbaffles (4) räumlich fixiert.

11. Vakuumverschluß nach den Ansprüchen 5 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hutbaffles (4) mit einem Isoliermaterial (14) ausge­ füllt ist.

12. Vakuumverschluß nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Isoliermaterial (14) aus Quarzwolle besteht.