JP4577484B2

JP4577484B2 - 横型熱処理炉のフランジ接合構造及び接合方法並びにフッ素樹脂シート

Info

Publication number: JP4577484B2
Application number: JP2004041402A
Authority: JP
Inventors: 明浩木村; 雄一松本
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP2005235924A

Description

本発明は、横型熱処理炉の熱処理チューブに設けられた第１フランジと、所定の別部材、例えばガス配管や熱電対保護管などに設けられた第２フランジと、を接合するフランジ接合構造及び接合方法並びに両フランジ間に介在させるフッ素樹脂シートの形状に関する。

半導体デバイスの製造においては、被処理体である半導体シリコンウェーハに対し、酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、アニールなどの処理を行うために、各種の熱処理装置が使用されている。そのうち、縦型熱処理装置（以下、縦型炉ということがある）は、処理ガス等の導入管及び排気管が接続された短円筒状の金属製マニホールド上に上端の閉塞された処理容器である石英製の反応管（アウターチューブ）を気密に取り付け、その反応管の周囲に加熱源であるヒータを配置する構成となっている。

上記マニホールド上への反応管の固定は、マニホールドの上端に形成されたフランジ上にシール部材であるＯリングを設け、上記反応管の下端に形成されたフランジを上記マニホールドのフランジ上にＯリングを介して載置し、反応管のフランジをボルト締め構造のフランジ押えによって締付け固定することで成される。この場合、局部的な締付け過多による上記反応管のフランジの破損を防止する目的でフランジとフランジ押えとの間には緩衝体が設けられている。この緩衝体は、耐熱性及び耐食性を有する材料、例えば、フッ素樹脂により形成されている（例えば、特許文献１）。

一方、横型熱処理装置（以下、横型炉ということがある）においても、半導体シリコンウェーハを熱処理する横型炉にプロセスガス配管や熱電対保護管などを取り付ける場合、熱処理炉内に配置される熱処理チューブの尾管フランジに、プロセスガス配管や熱電対保護管などを取り付けたフランジ付き部材を接続する必要がある。このとき、フランジ接合部からの炉内ガスの流出、あるいは外部雰囲気の流入のようなリークを防ぐため、Ｏリングを使用するが、横型炉の場合、フランジに開口している複数のボルト穴は垂直方向に並んでいるため、縦型炉のように複数のボルト穴が水平方向に並んでいる場合に比べて、ボルトを均等に締め付けることができず、Ｏリングに不均一な力が加わってしまうことがある。このような場合、Ｏリングはリーク防止材としての機能を発揮できず、このフランジ接合部から炉内ガスが流出、あるいは外部雰囲気が流入してしまうことがあった。

また、ボルトを人力で締め付けるため、フランジが石英製などの比較的割れ易い材質の場合には、力加減を誤ってフランジを割ってしまうことがあった。さらに、フランジ同士を締め付けすぎるとそれらが直接接触するため、接触部からパーティクル・金属不純物が発生して炉内雰囲気へ漏出し、パーティクル汚染や金属不純物汚染の原因となることがあった。そのため、上記縦型炉の場合と同じく、フランジ間にフッ素樹脂シートを介在させて、フランジ同士をボルト締めすることが行われている。

横型炉におけるフランジ接合について、図４を参照して説明する。図４は従来のフランジ接合構造の１例を示す断面概略説明図である。図４において１１は従来のフランジ接合構造で、シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブの尾管１２に設けられた第１フランジ１４を有している。１６は所定の別部材、例えばプロセスガス配管１８に設けられた第２フランジで、前記第１フランジ１４に相対向して設置されている。前記第１フランジ１４の中央部には熱処理チューブの尾管１２のガス流路１２ａに連通する中央孔１４ａが穿設されている。一方、前記第２フランジ１６の中央部にはプロセスガス配管１８のガス流路１８ａに連通する中央孔１６ａが穿設されている。前記第１フランジ１４の接合面の中央孔１４ａに近接する部分にはＯリング２０を収容するリング状のＯリング用溝２２が穿設されている。また、第１フランジ１４の周辺部には締付具、例えばボルトのための通し孔２４が複数個穿設されている。なお、図４における矢印はガス流路１２ａ，１８ａにおけるガスの流れ方向を示す。

前記第２フランジ１６の周辺部には、前記ボルト通し孔２４に対応して複数のボルト雌ネジ部２８が螺設されている。３２はフッ素樹脂シートで、その中央部には中央開口部３４が開穿されている。このような構成により、Ｏリング２０及びフッ素樹脂シート３２を第１及び第２フランジ１４，１６間に介在させて当該フランジ１４，１６を不図示の締付具、例えば、ボルトで締め付けて固定する。

フッ素樹脂シート３２はほとんど弾性を持たず、その変形量も小さいため、このようなシートをフランジ１４，１６間に介在させれば、フランジ１４，１６同士がボルトの締め付けによっても接触することがなくなり、フランジ１４，１６の割れやパーティクル・金属不純物の発生を防止することができる。また、Ｏリング２０の寸法を基準に、ＪＩＳ規格に合うようＯリング２０を嵌め込む溝２２の深さとフッ素樹脂シート３２の厚さを決定し、そのようなフッ素樹脂シート３２をフランジ間の介在物としてフランジ１４，１６の接合時に用いれば、フッ素樹脂シートの弾性の小ささからＯリング２０に均等な力を加えることができ、Ｏリング２０の部分におけるリークをなくすことができる。

しかしながら、フランジ１４，１６の接合にあたっては、フッ素樹脂シート３２の側面を指で押えながらボルト締め付け等を行うため、フッ素樹脂シート３２の締め付け位置がずれることがあった。そのため、フッ素樹脂シート３２がボルト等にあたって削られ、バリや局所的な変形が発生して、かえってフランジ１４，１６部分からのリークを増すことがあった。また、フッ素樹脂シート３２が、よりフランジ内側のＯリング用溝２２に嵌め込まれているＯリング２０に接触してＯリング２０が変形しＯリング用溝２２から浮いてしまうために、フランジ１４，１６を締め付けても十分なＯリング２０のつぶし代が得られず、Ｏリング２０の部分でリークを発生させてしまうこともあった。
特開平８−１８６１０４号公報

そこで、本発明は、フッ素樹脂シートとＯリングの接触を防止し、また、フッ素樹脂シートにバリや変形を生じさせるボルトとの接触を防止するための、簡便なフッ素樹脂シート固定方法を伴う横型炉のフランジ接合構造及び接合方法並びにフランジに簡便に固定できる形状のフッ素樹脂シートを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のフランジ接合構造は、シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブに設けられた第１フランジと所定の別部材に設けられた第２フランジとを、これらのフランジ間をＯリングでシールしかつこれらのフランジ間にフッ素樹脂シートを介在させて接合するフランジ接合構造であって、前記第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面にリング状溝を形成し、このリング状溝に対応して前記フッ素樹脂シートの片面又は両面にリング状突条を形成し、前記リング状溝に前記リング状突条を嵌着することにより、前記第１フランジ及び第２フランジのいずれか一方のフランジの接合面に前記フッ素樹脂シートを固定し、この状態で前記第１フランジと第２フランジとを締付具で締付接合するようにしたことを特徴とする。

本発明のフッ素樹脂シートは、シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブに設けられた第１フランジと、所定の別部材に設けられた第２フランジと、を接合する際に、前記第１フランジと第２フランジとの間に介在させるフッ素樹脂シートであって、前記第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面に形成されたリング状溝に対応して前記フッ素樹脂シートの片面又は両面にリング状突条を設けたことを特徴とする。

このようにフッ素樹脂シートの片面又は両面に、第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面に形成されたリング状溝に一対一で対応するリング状突条を形成すれば、該フッ素樹脂シートを簡便にフランジに固定することができる。

本発明のフランジ接合方法は、シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブに設けられた第１フランジと所定の別部材に設けられた第２フランジとを、これらのフランジ間をＯリングでシールしかつこれらのフランジ間にフッ素樹脂シートを介在させて接合するフランジ接合方法であって、前記第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面にリング状溝を形成するとともに前記フッ素樹脂シートとして請求項２記載のフッ素樹脂シートを用い、前記リング状溝に前記リング状突条を嵌着することにより、第１フランジ及び第２フランジのいずれか一方のフランジの接合面に前記フッ素樹脂シートを固定し、次いで前記第１フランジと第２フランジとを締付具で締付接合するようにしたことを特徴とする。

本発明のフランジ接合構造によれば、フッ素樹脂シートを第１フランジ及び第２フランジのいずれか一方のフランジに固定できるため、二つのフランジ間に介在する前記フッ素樹脂シートの位置のズレを防止することができ、締付具であるボルトとの接触によるフッ素樹脂シートの変形やバリの発生、Ｏリングとの接触によるＯリングの変形やＯリング用溝からのＯリングの浮き上がりを防止することができる。

本発明のフッ素樹脂シートは、第１フランジ及び第２フランジのいずれか一方のフランジに簡便に固定できるので、該フッ素樹脂シートを押える手順を必要とせず、フランジ接合の作業効率を向上させて作業を速やかに行うことができる。本発明のフランジ接合方法によれば、本発明のフッ素樹脂シートを用いることによってフランジ接合を確実かつ簡便に行うことができる。

以下、本発明を、添付図面中、図１〜図３を参照してさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの図示例に限定されないことは言うまでもない。

図１は本発明のフランジ接合構造の一つの実施の形態を示す断面概略説明図である。図２は本発明のフッ素樹脂シートの一つの実施の形態を示す斜視説明図である。図１において、１０は本発明に係るフランジ接合構造である。このフランジ接合構造１０は、本発明の特徴であるフッ素樹脂シート３２の形状及び第１フランジ１４及び第２フランジ１６の接合面の形状を除いては、前述した図４の従来のフランジ接合構造１１とその基本的構造は同じであるので再度の説明は省略する。なお、図１において、図４における部材と同一又は類似部材は同一符号で示されている。

以下に、本発明の特徴的構成について説明する。２６は前述したボルト通し孔２４の内方側の近傍に穿設された第１リング状溝である。また、３０は前述したボルト雌ネジ部２８の内方側の近傍に第１リング状溝２６に対応して穿設された第２リング状溝である。

３２はフッ素樹脂シートで、図１、図２に示すようにその中央部に中央開口部３４を有するとともにその両面には上記した第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０に対応してリング状突条３６ａ，３６ｂが形成されている。

この第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０は、フッ素樹脂シート３２が固定できる断面形状であれば、断面三角形その他の断面多角形、断面台形等どのような形であっても良い。また、フッ素樹脂シート３２の突条３６ａ，３６ｂの断面形状も断面三角形その他の断面多角形、断面台形等どのような形であっても良い。そして、この第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０の形状とフッ素樹脂シート３２のリング状突条３６ａ，３６ｂの形状との組み合わせは、フッ素樹脂シート３２が固定できる組み合わせであればどのようなものでもよく、たとえば、第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０の断面形状は断面三角形、フッ素樹脂シート３２のリング状突条３６ａ，３６ｂの断面形状は断面台形というような組み合わせであってもよい。

上記した構成により、その作用を次に説明する。フッ素樹脂シート３２のリング状突条３６ａを第１リング状溝２６に嵌着して、このフッ素樹脂シート３２を第１フランジ１４に固定する。そして、フッ素樹脂シート３２のリング状突条３６ｂに第２フランジ１６の第２リング状溝３０を嵌着させる。このとき、フッ素樹脂シート３２のリング状突条３６ａ，３６ｂと第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０との接触によりリークが十分防止できるのであればＯリング２０は必要ないが、フッ素樹脂は硬質のため、Ｏリング２０を用いた方がよりリークを防止できて好ましい。すなわち、第１フランジ１４のフッ素樹脂シート３２が固定される位置より内側にＯリング用溝２２を形成し、該溝２２にＯリング２０を嵌め込むようにする。このとき、Ｏリング用溝２２の溝深さとフッ素樹脂シート３２の厚さの合計が、使用するＯリングの寸法に適合したＪＩＳ規格に入るようにすることが必要である。

そして、上述したように、フッ素樹脂シート３２とＯリング２０を介在させた状態で、第１フランジ１４と第２フランジ１６を不図示の締付具、例えば、ボルトで締め付けて固定する。なお、フッ素樹脂シート３２の大きさは、第１及び第２フランジ１４，１６と同じ直径でも構わないが、フランジ同士の接触を防止できれば良いので、第１及び第２フランジ１４，１６より小直径のフッ素樹脂シート３２を用いても差し支えない。

上述した実施の形態においては、第１フランジ１４及び第２フランジ１６の双方の接合面に第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０を穿設し、それに対応してフッ素樹脂シート３２の両面にリング状突条３６ａ，３６ｂを形成した構成を示したが、上記第１リング状溝２６及び第２リング状溝３０はいずれか一方のみを設けてもよいものであり、その場合、そのリング状溝の設置態様に応じてリング状突条３６ａ，３６ｂもフッ素樹脂シート３２のいずれか片面に形成することとなる。

続いて、本発明のフランジ接合方法について図３を参照して説明する。本発明方法においては、まず、少なくとも一方に前述したリング状溝２６及び／または３０を穿設した第１フランジ１４及び第２フランジ１６、並びに前述したリング状突条３６a及び／または３６bを形成したフッ素樹脂シート３２を用意する（ステップ１００）。次いで、前記リング状溝２６または３０に前記リング状突条３６aまたは３６bを嵌着することにより第１フランジ１４及び第２フランジ１６のいずれか一方のフランジの接合面に前記フッ素樹脂シート３２を固定する（ステップ１０２）。最後に、第１フランジ１４及び第２フランジ１６をボルト等の締付具で締付接合する（ステップ１０４）ことによって、フランジ接合構造が完成する（ステップ１０６）。

なお、本発明のフランジ接合構造及び接合方法の対象となる所定の別部材に設けられる第２フランジとしては、プロセスガス配管が接続されたフランジの他に、プロセスガス配管と横型炉を接続するための両者間に挟み込むフランジ形状を持つ単独の部材や、熱電対保護管が接続されたフランジなど、横型炉と接続するフランジであれば何でも良い。また、横型炉チューブの材質、フランジの材質もなんら限定はない。さらに、本発明のフッ素樹脂シートの材質はいずれのものでもよいが、予め締め付け後のフッ素樹脂シート厚を計測しておくことが必要である。

以下に本発明の実施例をあげて説明するが、これらの実施例は例として示されるもので限定的に解釈すべきでないことはいうまでもない。

（実施例１）
ＳｉＣ製の横型炉チューブの尾管にあるフランジと、プロセスガス配管が接続されたＳＵＳ製フランジと、Ｐ３０のＯリングと、１ｍｍ厚のフッ素樹脂シート（材質：ポリテトラフロロエチレン：ＰＴＦＥ）を用意した。フランジはどちらも直径９０ｍｍであり、チューブ側フランジの直径７０ｍｍのところに４つのボルトを通す穴を９０°間隔で設け、ＳＵＳ製フランジの直径７０ｍｍのところにＭ６の雌ネジを形成した。また、ＳＵＳ製フランジには、Ｐ３０のＯリングに合うよう外径３６＋０．０８−０ｍｍ（ＪＩＳ規格）の溝を設けなければならないが、Ｐ３０のＯリングをより適切に潰して最適な密閉性を得るには、溝の深さを２．７ｍｍ±０．０５ｍｍ（ＪＩＳ規格）にする必要がある。そのためには、ボルトで締め付けた時のフッ素樹脂シートの厚さとフランジに形成されるＯリング用の溝深さの合計がこの規格内に入るようにすればよい。予めフッ素樹脂シートをボルト締めして圧縮してみたところ、圧縮時のシート厚さは０．７ｍｍであったため、溝深さを２ｍｍ、溝の外径を３６ｍｍとしてＯリング用の溝を形成した。

フッ素樹脂シートとしては内径３６．５ｍｍ、外径５５ｍｍのドーナツ形状のものを使用する。このフッ素樹脂シートの表裏面には、直径５０ｍｍのところに断面台形のリング状突条を設けた。この突条の高さは１ｍｍ、台形の上底幅は２ｍｍ、下底幅は４ｍｍとした。また、それに対応するＳＵＳ製フランジとＳｉＣ製フランジの直径５０ｍｍの位置に断面三角形のリング状溝を形成した。溝幅は４ｍｍ、溝深さ２ｍｍとした。そして、このようなフッ素樹脂シートとＯリングをＳＵＳ製フランジの所定のリング状溝に嵌め込み、外れないことを確認した上で、ＳｉＣ製フランジのリング状溝とフッ素樹脂シートのリング状突条の位置を合せて、これらを４本のボルトで人力により締め付けた。上述のようなフッ素樹脂シートにより、簡便にフランジ同士の位置決めができ、４本のボルトを締め付けることが出来た。そして、横型炉に１００枚のシリコンウェーハをウェーハボートに載せて投入し、１００％Ａｒ雰囲気下で１２００℃１時間の熱処理を行った。熱処理終了後、５枚のウェーハを抜き取って表面粗さを調査したが、ウェーハ主表面に不良レベルのヘイズは発生しておらず、外気（空気）の侵入のないことが確認できた。

（比較例１）
実施例１と同じＳｉＣ製の横型炉チューブの尾管にあるフランジと、プロセスガス配管が接続されたＳＵＳ製フランジと、Ｐ３０のＯリングと、フッ素樹脂シートを用意し、ＳＵＳ製フランジには深さ２ｍｍ、外径３６ｍｍのＯリング用の溝のみを形成した。そして、Ｏリングを前記溝に嵌め込み、ボルトを通す穴を開けた内径３６．５ｍｍ、外径９０ｍｍの平板ドーナツ形状の前記フッ素樹脂シート（材質：ＰＴＦＥ）の側面を指で押えながら両フランジを４本のボルトで人力により締め付けた。締め付け後フランジを調査したところ、フッ素樹脂シートが鉛直下方向に１ｍｍ程度ずれていることがわかった。そのまま実施例１と同様に１００枚のウェーハを横型炉に投入して１００％Ａｒ雰囲気下で１２００℃１時間の熱処理を行った。熱処理終了後、５枚のウェーハを抜き取って表面粗さを調査したところ、尾管側から抜き取ったウェーハ２枚の主表面のヘイズが悪化して不良レベルになっており、Ｏリングがフッ素樹脂シートと接触して変形し、十分につぶれず、外気（空気）の侵入を生じていたことが分かった。

本発明のフランジ接合構造の一つの実施の形態を示す断面概略説明図である。本発明のフッ素樹脂シートの一つの実施の形態を示す斜視説明図である。本発明のフランジ接合方法の工程順の一例を示すフローチャートである。従来のフランジ接合構造の一例を示すの断面概略説明図である。

符号の説明

１０：本発明のフランジ接合構造、１１：従来のフランジ接合構造、１２：熱処理チューブの尾管、１２ａ：ガス流路、１４：第１フランジ、１４ａ：第１フランジ中央孔、１６：第２フランジ、１６ａ：第２フランジ中央孔、１８：プロセスガス配管、１８ａ：ガス流路、２０：Ｏリング、２２：Ｏリング用溝、２４：ボルト通し孔、２６：第１リング状溝、２８：ボルト雌ネジ部、３０：第２リング状溝、３２：フッ素樹脂シート、３４：中央開口部、３６ａ，３６ｂ：リング状突条。

Claims

シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブに設けられた第１フランジと所定の別部材に設けられた第２フランジとを、これらのフランジ間をＯリングでシールしかつこれらのフランジ間にフッ素樹脂シートを介在させて接合するフランジ接合構造であって、前記第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面にリング状溝を形成し、このリング状溝に対応して前記フッ素樹脂シートの片面又は両面にリング状突条を形成し、前記リング状溝に前記リング状突条を嵌着することにより、前記第１フランジ及び第２フランジのいずれか一方のフランジの接合面に前記フッ素樹脂シートを固定し、この状態で前記第１フランジと第２フランジとを締付具で締付接合するようにしたことを特徴とするフランジ接合構造。
シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブに設けられた第１フランジと所定の別部材に設けられた第２フランジとを接合する際に、前記第１フランジと第２フランジとの間に介在させるフッ素樹脂シートであって、前記第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面に形成されたリング状溝に対応して前記フッ素樹脂シートの片面又は両面にリング状突条を設けたことを特徴とするフッ素樹脂シート。
シリコンウェーハを熱処理する横型熱処理炉内に設置される熱処理チューブに設けられた第１フランジと所定の別部材に設けられた第２フランジとを、これらのフランジ間をＯリングでシールしかつこれらのフランジ間にフッ素樹脂シートを介在させて接合するフランジ接合方法であって、前記第１フランジ及び第２フランジの少なくとも一方のフランジの接合面にリング状溝を形成するとともに前記フッ素樹脂シートとして請求項２記載のフッ素樹脂シートを用い、前記リング状溝に前記リング状突条を嵌着することにより、第１フランジ及び第２フランジのいずれか一方のフランジの接合面に前記フッ素樹脂シートを固定し、次いで前記第１フランジと第２フランジとを締付具で締付接合するようにしたことを特徴とするフランジ接合方法。