DE3544812A1 - Doppelwand-quarzglasrohr fuer die durchfuehrung halbleitertechnologischer prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Doppelwand-Quarzglasrohr für die Durchführung halbleitertechnologischer Prozesse mit einem Innenrohr und mit einem koaxial mit Abstand zum Innenrohr, einen Ringraum bildend, angeordneten Außenrohr, die an ihrem einen, einander zugeordneten Ende jeweils ein Abschlußteil aufweisen, wobei an dem Abschlußteil des Innenrohres ein Prozeßgas-Zuführungsstutzen angebracht ist, der durch das Abschlußteil des Außenrohres gedichtet hindurchgeführt ist, wobei das Außenrohr an seinem anderen Ende mit der Außenseite des Innenrohres dicht verbunden und mit je einem Stutzen an jedem Ende zur Zu- bzw. Abfuhr eines Spülgases versehen ist.

Auf solche Doppelwand-Quarzglasrohre wird in den Aufsätzen "Furnace Contamination and its Remedies", Paul F. Schmidt, Solid State Technology/June 1983, Seite 147 ff. und "Contami­ nation Control Using HCl Gas; Effects on Silica Glas and Minority Carrier Lifetime", R. Krishnamurthy, B. E. Ramachandran, K. Kaliyamurthy, Solid State Technology/August 1985, Seite 213 ff. Bezug genommen.

Zur Abscheidung von Silizium sowie beim Schmelzen und Dotieren von Halbleiterkörpern in einem Prozeßrohr wird eine hohe Reinheit der Atmosphäre gefordert. Verunreinigungen, insbesondere durch bestimmte Metalle, aber auch durch Phosphor, sollen nach Möglichkeit weitgehendst vermieden werden. Kritische Verunreinigungen sind vor allem auch die Alkalien, die Elemente der III/V Gruppe des Periodischen Systems der Elemente allgemein sowie Kupfer und Schwermetalle. Als Prozeßrohre werden Rohre aus Quarzglas eingesetzt, die sich besonders gut aufgrund ihrer hohen Reinheit und Korrosionsbeständigkeit eignen. Bei den Heißprozessen der Halbleitertechnik ist von den Alkali­ metallen besonders das stets in gewissem Umfange vorhandene Natrium unerwünscht. Um MOS-Bauelemente (Metalloxide-semiconductor) mit guten elektrischen Eigenschaften zu erhalten, ist es bekannt, in die Außenfläche der Quarzglas-Prozeßrohre Aluminium­ ionen einzubauen, die eine starke Getterwirkung auf einwertige Metallionen ausüben, die dadurch ihre Eigenbeweglichkeit verlieren und sich nur noch mit einer sehr geringen Diffusions­ rate bewegen. Solche Schichten stellen eine Diffusionssperre auch gegen Natrium dar. Weiterhin wird versucht, die Sauberkeit der Heizquellen, die eine Ursache für Verunreinigungen sind, zu erhöhen.

Da an die Qualität der in diesen Quarzglas-Prozeßrohren behandel­ ten Halbleiterscheiben immer höhere Anforderungen gestellt werden, ist man dazu übergegangen, doppelwandige Diffusionsrohre aus Quarzglas einzusetzen, wobei in dem Zwischenraum zwischen den beiden Quarzrohren während der Behandlung mit einem Spülgas gespült wird, wodurch die durch die Wandung des äußeren Rohres hindurchdiffundierenden Ionen gebunden und abtransportiert werden. Bei den bekannten, oben erwähnten doppelwandigen Diffusionrohren ist eine erhebliche Ausfallquote zu beobachten, die sich in Form von Brüchen, Rissen und Abreißen der Zu­ und Abführstutzen, insbesondere der Stutzen für die Zuführung des Prozeßgases in das Innenrohr, äußern, und zwar infolge der unterschiedlichen Ausdehnungen des Innenrohres und des Außenrohres.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Doppelwand-Quarzglasrohr für die Durchführung von halbleiter-technologischen Prozessen zu schaffen, bei dem Beschädigungen, insbesondere durch in den Quarzglasrohren auftretende Spannungen bei der Wärmebehandlung im Ofen, vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Innenrohr einen Innendurchmesser von mindestens 150 mm besitzt, daß mindestens eines der beiden Abschlußteile im wesentlichen eben ausgebildet ist, daß die Achse des Prozeß­ gas-Zuführungsstutzens mit der Verlängerung der Achse des Innenrohres zusammenfällt und mindestens über seine Länge zwischen den beiden ebenen Abschlußteilen einen Innendurchmesser aufweist, der 20% bis 70% des Innendurchmessers des Innen­ rohres beträgt, und daß das Außenrohr einerseits mit dem Prozeßgas-Zuführungsstutzen und andererseits mit der Außenseite des Innenrohres gasdicht verschmolzen ist.

In bevorzugter Weise ist das Abschlußteil des Außenrohres eben ausgebildet ist. Besonders bewährt haben sich Doppel­ wand-Quarzglasrohre, bei denen beide Abschlußteile im wesent­ lichen eben ausgebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Doppelwand-Quarz­ glasrohres werden Längenänderungen zwischen dem Innen- und dem Außenrohr ausgeglichen. Bei einer solchen Längenänderung tritt eine Verschiebung der Abschlußteile, die über den Prozeß­ gas-Zuführungsstutzen in ihrem Mittelbereich miteinander in Verbindung stehen, auf. Mit einer solchen Ausbildung des Doppelwand-Quarzglasrohres ist es möglich, das Außenrohr einerseits mit dem Prozeßgas-Zuführungsstutzen und andererseits mit der Außenseite des Innenrohres gasdicht zu verschmelzen, so daß ein abgeschlossener Raum für das Spülgas zwischen Innen- und Außenrohr erhalten wird.

Um eine ausreichende Nachgiebigkeit der Abschlußteile zu gewährleisten, kann die Wandstärke dieser Abschlußteile geringer gewählt werden als die Wandstärke der betreffenden Rohrwand; ausreichend ist, bei einem Doppelwand-Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser des Innenrohres von 150 mm eine Wandstärke von etwa 3 mm. Durch die Anordnung des Prozeß­ gas-Zuführungsstutzens in der verlängerten Achse des Innenrohres mit einem Durchmesser des Prozeßgaszuführungsstutzens im Bereich von 20% bis 70% des Innendurchmessers des Innenrohres, vorzugsweise im Bereich von 35%, wird eine ausreichende Stabilität und zentrale Verbindung zwischen den beiden Abschluß­ teilen, durch die die Längenausdehnung kompensiert wird, erreicht. Außerdem wird mit einem solchen in seinem Durchmesser ausreichend groß dimensionierten Zuführungsstutzen eine gute Zentrierungshilfe zwischen Innen- und Außenrohr beim Zusammenbau der Anordnung erreicht. Bevorzugt werden als Abschlußteile ebene Scheiben eingesetzt, die an das bevorzugt in Form von Zylindern ausgebildete Innen- bzw. Außenrohr angeschmolzen werden. Um eine gute Verteilung des Spülgases eingangsseitig in den zwischen dem Innen- und dem Außenrohr gebildeten Spülgas­ raum zu gewährleisten, sind die beiden Abschlußteile in axialer Richtung mit Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand ein Vielfaches des Abstandes zwischen den einander zugekehrten Flächen der Abschlußteile des Innen- und Außenrohres beträgt; bei einem Innendurchmesser des Innenrohres von mindestens 150 mm hat sich ein Abstand zwischen den einander zugekehrten Flächen der Abschlußteile von 15 mm gut bewährt. Um Spannungs­ spitzen an dem Übergang zwischen dem/den Abschlußteilen und der jeweils angrenzenden Rohrwand zu vermeiden, sind die Übergänge abgerundet. Der Radius dieser Abrundung sollte im Bereich von 15 mm liegen.

Bevorzugt werden die Durchmesser des Innen- und des Außenrohres bzw. deren Wandstärke so gewählt, daß der Abstand zwischen den einander zugekehrten Oberflächen des Innen- und des Außen­ rohres 2 bis 5 mm beträgt. Hierdurch wird ein ausreichender Ringraum für das Spülgas erhalten. Bevorzugt betragen die Wandstärken von Innen- und Außenrohr je 3 bis 8 mm. Insbesondere für ein in horizontaler Anordnung betriebenes Doppelwand-Quarz­ glasrohr hat sich eine gegenseitige Abstützung zwischen Innen­ und Außenrohr im Ringraum, bevorzugt im mittleren Bereich bezogen auf die axiale Erstreckung der Rohre, erwiesen. Hierfür können an der Außenseite des Innenrohres angeschmolzene kurze Stege dienen oder periodische Eindrückungen in das Außenrohr. Hierdurch wird eine zusätzliche Versteifung der beiden Rohre gegeneinander erreicht. Eine solche Abstützung kann auch dadurch erreicht werden, daß der Ringraum mit einem Granulat aus Quarzglas gefüllt ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels anhand der schematischen Fig. 1, die ein Doppelwand-Quarzglasrohr für die Durchführung von halbleiter­ technologischen Prozessen zeigt.

Das Doppelwand-Quarzglasrohr weist ein Innenrohr 1 und ein Außenrohr 2 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel langgestreckte Zylinder sind. Innenrohr 1 und Außenrohr 2 sind an ihrem einen, in der Zeichnung oberen Ende mit einem Abschlußteil 3, 4, bei dem es sich jeweils um eine ebene Platte handelt, verschlossen. Der Außendurchmesser des Innenrohres 1 und der Innendurchmesser des Außenrohres 2 sind so gewählt, daß zwischen der Außenwandung des Innenrohres 1 und der Innenwandung des Außenrohres 2 ein Ringraum 5, durch das ein Spülgas strömt, gebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform beträgt der Abstand, durch die Pfeile 6 angedeutet, zwischen den einander zugekehrten Oberflächen der Wände des Innen- und des Außenrohres 1, 2 5 mm. An dem Abschlußteil 3 des Innenrohres 1 ist ein Prozeß­ gas-Zuführungsstutzen 7, dessen Achse mit der Verlängerung der Achse 8 des Innenrohres 1 zusammenfällt, angeschmolzen. Der Innendurchmesser dieses Prozeßgas-Zuführungsstutzen beträgt etwa 35% des Innendurchmessers des Innenrohres 1, d.h. bei einem Innendurchmesser des Innenrohres von 160 mm, wie in diesem Ausführungsbeispiel, weist der Prozeßgas-Zuführungs­ stutzen 7 einen Innendurchmesser von etwa 56 mm auf. Die beiden Abschlußteile 3 und 4 sind so voneinander beabstandet, daß zwischen diesen beiden Teilen ein Verteilungsraum 9 gebildet ist. Der Abstand dieser beiden Abschlußteile, durch den Pfeil 10 angedeutet, sollte zwischen 10 und 30 mm betragen. Der Prozeßgas-Zuführungsstutzen 7, der durch das Abschlußteil 4 des Außenrohres 2 hindurchgeführt ist und durch den das Innenrohr 1 in dem Außenrohr 2 an diesem Ende zentriert wird, ist mit dem Abschlußteil 4 dichtend verschmolzen. Am anderen Ende des Doppelwand-Quarzglasrohres ist das Außenrohr 2 an der Außenwandung des Innenrohres 1 angeschmolzen, durch die Naht 11 angedeutet, so daß an diesem Ende der Ringraum 5 abgeschlossen ist.

Während über den Anschlußstutzen 12, der außerhalb des Außen­ rohres 2 an den Prozeßgas-Zuführungsstutzen 7 angesetzt ist, das Prozeßgas in das Innenrohr, in dem die zu behandelnden Halbleiterscheiben angeordnet werden, zugeführt wird, wird über den Anschlußstutzen 13 Spülgas in den Verteilungsraum 9 zugeführt, das dann in den Ringraum 5 verteilt wird und über den Ausgangsstutzen 14 am anderen Ende des Außenrohres 2 ausströmt.

Insbesondere durch die Ausbildung der beiden Abschlußteile 3 und 4 als ebene Platten, die in diesem Ausführungsbeispiel an das Innenrohr 1 bzw. Außenrohr 2 angeschmolzen sind, und die über den Prozeßgas-Zuführungsstutzen 7 miteinander in Verbindung stehen, wird eine unterschiedliche Längenausdehnung (wobei das Außenrohr 2 durch die höhere Temperatur, der es ausgesetzt wird, eine größere Längenausdehnung als das Innenrohr 1 erfährt) ausgeglichen. Bei einer solchen Ausdehnung wird das Abschlußteil 4 in Richtung des Pfeiles 15 gewölbt, während sich das Abschlußteil 3 in entgegengesetzter Richtung, d.h. in Richtung des Pfeiles 16 wölbt.

Gut bewährt hat es sich, die Übergangsbereiche zwischen den Abschlußteilen und den zugeordneten Rohren 1, 2 abzurunden, und zwar bevorzugt mit einem Radius 17 von etwa 15 mm. Für den horizontalen Betrieb des Doppelwand-Quarzglasrohres können in dem Ringraum 5 zwischen dem Innenrohr 1 und dem Außenrohr 2 kurze Stege 18, die an der Außenseite des Innenrohres 1 angeschmolzen sind, angeordnet sein oder Eindrückungen 19 in das Außenrohr 2, um hierdurch eine zusätzliche Aussteifung der Anordnung zu erzielen. Gut bewährt hat es sich auch, den Ringraum 5 und gegebenenfalls auch den Verteilungsraum 9 mit einem Granulat 20 aus Quarzglas zu füllen, das ebenfalls die Anordnung aussteift und im horizontalen Betrieb einem Durchbiegen der Anordnung, die eine Länge bis zu 2 m haben kann, entgegenwirkt.

In der schematischen Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungs­ beispiel eines Doppelwand-Quarzglasrohres dargestellt. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Das in Fig. 2 dargestellte Doppelwand-Quarzglasrohr unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß das Abschlußteil 4 des Außenrohres im wesentlichen eben ausgebildet ist, während das Abschlußteil 3 des Innenrohres, vom Innenrohr in Richtung auf das Abschlußteil 4 gesehen, gewölbt ausgebildet ist.

Claims (10)

1. Doppelwand-Quarzglasrohr für die Durchführung halbleiter­ technologischer Prozesse mit einem Innenrohr und mit einem koaxial mit Abstand zum Innenrohr, einen Ringraum bildend, angeordneten Außenrohr, die an ihrem einen, einander zu­ geordneten Ende jeweils ein Abschlußteil aufweisen, wobei an dem Abschlußteil des Innenrohres ein Prozeßgas-Zuführungs­ stutzen angebracht ist, der durch das Abschlußteil des Außenrohres gedichtet hindurchgeführt ist, und wobei das Außenrohr an seinem anderen Ende mit der Außenseite des Innenrohres dicht verbunden und mit je einem Stutzen an jedem Ende zur Zu- bzw. Abfuhr eines Spülgases versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (1) einen Innendurchmesser von mindestens 150 mm besitzt, daß wenigstens eines der beiden Abschlußteile (3, 4) im wesentlichen eben ausgebildet ist, daß die Achse des Prozeßgas-Zufüh­ rungsstutzens mit der Verlängerung der Achse (8) des Innen­ rohres (1) zusammenfällt und mindestens über seine Länge zwischen den beiden Abschlußteilen (3, 4) einen Innen­ durchmesser aufweist, der 20% bis 70% des Innendurchmessers des Innenrohres (1) beträgt, und daß das Außenrohr (2) einerseits mit dem Prozeßgas-Zuführungsstutzen (7) und andererseits mit der Außenseite des Innenrohres (1) gasdicht verschmolzen ist.

2. Doppelwand-Quarzglasrohr nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abschlußteil (4) des Außenrohres (2) eben ausgebildet ist.

3. Doppelwand-Quarzglasrohr nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abschlußteile (3, 4) im wesentlichen eben ausgebildet sind.

4. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ebene Abschlußteil (3, 4) eine Scheibe ist, die mit dem Innenrohr (1) bzw. Außenrohr (2) verschmolzen ist.

5. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem/den Abschlußteile(n) (3, 4) und der jeweils angrenzenden Rohrwand abgerundet ist (sind).

6. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abschlußteil (3) des Innenrohres (1) und dem Abschlußteil (4) des Außen­ rohres (2) ein Verteilungsraum (9) für das Spülgas ge­ bildet ist, dessen axiale Länge (10) ein Vielfaches des Abstandes (6) zwischen den einander zugekehrten Rohrwand- Flächen des Innen- und Außenrohres (1, 2) beträgt.

7. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (6) zwischen den einander zugekehrten Oberflächen der Wände des Innen­ und des Außenrohres 2 bis 5 mm beträgt.

8. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärken des Innen­ und Außenrohres (1, 2) je 3 bis 8 mm betragen.

9. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenrohr (1, 2) im Ringraum (5) gegeneinander abgestützt sind.

10. Doppelwand-Quarzglasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (5) mit einem Granulat (20) aus Quarzglas gefüllt ist.