WO1986000973A1 - Tubular quartz-glass element with a flange - Google Patents

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Karl Albert SCHÜLKE
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Heraeus Quarzschmelze Gmbh
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B31/06—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state
    • C30B31/10—Reaction chambers; Selection of materials therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16L47/14—Flanged joints
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    • Y10S285/911—Glass

Definitions

  • the present invention relates to a tubular component made of quartz glass or quartz material, such as a tube, a bell, a hood or a crucible, with a melted or welded-on flange.
  • Such a tubular component which is used, for example, in semiconductor production, is known from DE-OS 30 20 264.
  • This process tube has a thick-walled flange compared to the tube wall.
  • the flange on its end face pointing in the radial direction can be cooled by means of a coolant, for example water, by means of a heat sink placed thereon, which is sealed off from the flange by two sealing rings.
  • Flanges of the conventional type are also subject to application restrictions. Quartz parts are typically used at high temperatures. When installing in apparatus, water-cooled metal flanges with elastic sealing parts, such as O-rings, are often used. The water cooling from the metal side is to prevent the sealing parts from being heated too much. Despite the cooling, the conventional flanges burn or age under the influence of heat conduction or even heat radiation due to the * relatively large mass accumulation in the flange area.
  • the present invention is based on the object of creating a suitable tubular component of large diameter with flange, in which there is the possibility of good cooling, in particular of the sealing surfaces of the flange, and in which heat conduction and heat radiation in the region of the flange are largely avoided.
  • the flange is designed as a thin-walled hollow flange and has a cavity to which a cooling medium can optionally be supplied (or which can be filled with a heat-insulating material).
  • the thin-walled design of the hollow flange prevents mass accumulation and, consequently, large heat conduction.
  • any cooling medium can advantageously remove the heat directly in the area of the cooling surface and the end section of the tubular component.
  • Another advantage of the invention lies in the possibility of providing large-volume, but thin-walled apparatus parts with a flange of an appropriate size, but without an undesirable accumulation of material, which is in particular a consequence of the easy deformability of the thin-walled material.
  • a flange made of a component with a U-shaped cross section is particularly advantageous.
  • Such a flange can be manufactured as a separate component and dimensioned accordingly. It has proven particularly good to have a U-shaped flange part with a longer and a shorter leg, the longer leg at least partially covering the end face of the tubular component.
  • a part made of quartz material is very solidly sealed and well fused on its inner wall, to a depth of about 2 to 3 mm.
  • numerous voids of 0.5 mm in size are contained in the outer wall layers, that is to say also in the outer region of the end face of the tubular component.
  • the fact that the U-shaped component is drawn over this end face of the tubular component means that these areas having cavities are effectively covered.
  • a flange with high strength is obtained when the connecting surface between the two legs of the flange part which is U-shaped in cross section towards the pipe end in the direction of the pipe interior is inclined.
  • the wall thickness of the flange should be approximately 4 to 10 mm.
  • two connecting pieces are arranged at diametrically opposite points, preferably in the connecting surface, for supplying and discharging the cooling medium.
  • FIG. 1 shows one half of a tubular component with a flange according to the invention, which is closed with a lid,
  • FIG. 2 shows a U-shaped flange which is melted as a separate component into the wall of the tubular component
  • Figure 3 shows a flange which is welded to the end of the tubular component
  • Figure 4 shows a flange in a modified embodiment.
  • the flange 1 which is arranged at the end of a tubular component 2, essentially has a U-shaped cross section with two legs 3, and a connecting surface 5 connecting the two legs on.
  • the U-shaped flange 1 encloses together with the
  • Wall of the tubular component 2 has a cavity 6, in which a cooling medium 8, for example, via a connecting piece 7
  • FIG. 1 the tubular component 2 made of quartz is closed with a cover 9 via a clamping ring 10 and clamping screws 11.
  • the upper leg 4 of the flange 1 is inclined to the wall of the tubular member 2, so that the
  • Cavity 6 is enlarged from the outside to component 2.
  • the clamping surface 15 of the clamping ring 10 is chamfered parallel to the outer surface of the leg 4.
  • the flange 22 shown in FIG. 3 is manufactured as a separate component and subsequently welded to the tubular component with its legs at points 23, 24. On the end face, the leg 25, which forms the sealing surface, only covers the area of the end face of the tubular component which essentially has the cavities.
  • the structure shown in FIG. 4 essentially corresponds to the structure shown in FIG. In this exemplary embodiment, however, a flange 26 is used, the connecting surface 2 of which extends at an angle 28 of approximately 25 from the pipe axis indicated by the dash-dotted line 29 towards the pipe end in the direction of the pipe interior.
  • the cavity 6 of the flange can also be filled with granules or sand.
  • the flanges shown are particularly suitable for gas-phase epitaxial bells in which high demands are placed on the sealing properties.

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Description

/
"Rohrförmiges Bauteil aus Quarzglas mit Flansch"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein rohrförmiges Bauteil aus Quarzglas oder Quarzgut, wie ein Rohr, eine Glocke, eine Haube oder einen Tiegel, mit einem angeschmolzenen oder ange¬ schweißten Flansch.
Ein solches rohrförmiges Bauteil, das beispielsweise in der Halbleiterfertigung eingesetzt wird, ist aus- der DE-OS 30 20 264 bekannt. Dieses Prozeßrohr weist einen im Vergleich zur Rohrwand dickwandigen Flansch auf. Der Flansch kann auf seiner in radiale Richtung weisenden Stirnseite über einen darauf aufge¬ setzten Kühlkörper, der mit zwei Dichtungsringen gegenüber dem Flansch abgedichtet ist, mittels Kühlmittel, beispielsweise Wasser, gekühlt werden.
Im allgemeinen ist die Herstellung von Flanschen an großformatig Glocken, Hauben, Tiegeln oder Rohren aus Quarzglas oder Quarzgut mit äußerst schwierigen fertigungstechnischen Problemen ver¬ bunden. Dies ist u. a. eine Folge davon, daß Rohre aus Quarz¬ material großen Fertigungstoleranzen unterliegen. So liegt beispielsweise die Toleranz eines Rohres mit einer Nennweite von 500 mm bei + 20 mm. Diese Toleranzen sind aber oftmals nicht mit den geforderten Genauigkeitsanforderungen zu vereinen. Die Folge ist dann oft eine teure, mechanische Nacharbeit oder gar Tαtalausschuß wegen nichtkorrigierbarem Untermaß, insbesondere im Bereich des Flansches. Ein weiteres Problem ist die Herstellung von rohrförmigen Bauteilen mit größeren Flanschformaten. Der Grund für die fertigungstechnischen Schwierigkeiten liegt darin, daß die herkömmlichen notwendigen Massenanhäufungen (häufig bis 40 mm Dicke und mehr) im Flanschbereich entweder nicht in situ erschmolzen oder, bei separater Herstellung des Flanschkörpers, nicht mehr angeschweißt werden können.
Flansche der herkömmlichen Art unterliegen auch Aπwendungs- einschränkungen. Quarzteile werden typischerweise bei hohen Temperaturen eingesetzt. Beim Einbau in Apparate werden hierbei deshalb häufig wassergekühlte Metall-Flansche mit elastischen Dichtungsteilen, beispielsweise O-Ringen, eingesetzt. Die Wasserkühlung von der Metallseite her soll hierbei verhindern, daß die Dichtungsteile zu stark erwärmt werden. Trotz der Kühlung verbrennen oder altern die herkömmlichen Flansche unter dem Einfluß der Wärmeleitung oder sogar Wärmestrahlung durch die* relativ große Massenanhäufung im Flanschbereich.
Aus der DE-PS 12 37 859 eine Flüssigkeitsdichtung mit einem in eine Nut eines der abzudichtenden Bauteile angeordneten Ringes aus flüssigem Metall bekannt.
Nach dem Stand der Technik wurden eine Vielzahl von Wegen und Lösungen angegeben, um die vorstehend aufgeführten Probleme, die bei großvolumigen Bauteilen aus Quarzmaterial mit einem Flansch auftreten, in den Griff zu bekommen und zu lösen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes rohrförmiges Bauteil großen Durchmessers mit Flansch zu schaffen, bei dem die Möglichkeit einer guten Kühlung insbesondere der Dichtflächen des Flansches gegeben ist, und bei dem Wärmeleitung und Wärmestrahlung im Bereich des Flansches weitgehenst vermieden wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Flansch als dünnwandiger Hohlflansch ausgebildet einen Hohlraum aufweist, dem gegebenenfalls ein Kühlmedium zugeführt werden kann (oder der mit einem wärmedämmenden Stoff füllbar ist). Durch die dünnwandige Ausbildung des Hohlflänsches wird eine Massenanhäufung und daraus folgend eine große Wärmeleitung vermieden. Darüber hinaus kann ein etwaiges Kühlmedium vorteil¬ haft unmittelbar im Bereich der Kühlfläche und des Endabschnitte des rohrförmigen Bauteiles die Wärme abtransportieren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, großvolumige, aber dünnwandige Apparateteile mit einem Flansch von angemessener Größe, jedoch ohne eine unerwünschte Materialanhäufung, zu versehen, was insbesondere eine Folge der leichten Verformbarkeit des dünnwandigen Materials ist.
Besonders .vorteilhaft ist ein Flansch aus einem im Querschnitt U-förmigeπ Bauteil. Ein solcher Flansch kann als gesondertes Bauteil gefertigt und entsprechend dimensioniert werden. Besonders gut bewährt hat es sich, ein U-förmiges Flanschteil mit einem längeren und einem kürzeren Schenkel, wobei der längere Schenkel die Stirnseite des rohrförmigen Bauteiles zumindest teilweise überdeckt. Bekanntlich ist ein Teil aus Quarzgut an seiner Innenwand sehr massiv dicht und gut ver¬ schmolzen, und zwar in einer Tiefe von etwa 2 bis 3 mm. In den äußeren Wandschichten sind aber zahlreiche Lunker von 0,5 mm Größe enthalten, also auch im äußeren Bereich der Stirnfläche des rohrförmigen Bauteiles. Dadurch aber, daß das U-förmige Bauteil über diese Stirnfläche des rohrförmigen Bauteiles gezogen ist, werden gerade diese Lunker aufweisenden Bereiche wirkungsvoll abgedeckt.
Ein Flansch mit hoher Festigkeit ergibt sich dann, wenn die Verbindungsfläche zwischen den beiden Schenkeln des im Quer¬ schnitt U-förmigen Flanschteiles zum Rohrende hin in Richtung des Rohrinneren hin geneigt verläuft. Ein Neigungswinkel ddeerr VVeerrbbiinndduuππggssffllääcchhee zzuurr RRoohh:rachse von etwa 15 bis 30 hat sich hierbei gut bewährt.
Je nach Durchmesser des rohrförmigen Bauteils und der Größe des Flansches sollte die Wandstärke des Flansches etwa 4 bis 10 mm betragen.
In vorteilhafter Weise werden zur Zu- und Ableitung des Kühl¬ mediums zwei Anschlußstutzen an sich diametral gegenüberliegend Stellen, bevorzugt in der Verbindungsfläche, angeordnet. Mit einer solchen Ausgestaltung des Kühlsystems ist es nicht erforderlich, in den Hohlraum Zwischenwände für einen Zu- bzw. Ablaufkanal einzuziehen. Die Kühlung erfolgt im Durchfluß ohne besondere zusätzliche konstruktive Maßnahmen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 die eine Hälfte eines rohrförmigen Bauteiles mit einem erfindungsgemäßen Flansch, das mit einem Deckel verschlossen ist,
Figur 2 einen U-förmigen Flansch, der als gesondertes Bauteil in die Wandung des rohrförmigen Bauteiles einge¬ schmolzen ist,
Figur 3 einen Flansch, der an das Ende des rohrförmigen Bauteils angeschweißt ist und
Figur 4 einen Flansch in einer abgewandelten Ausführungsform.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist der Flansch 1, der am Ende eines rohrförmigen Bauteiles 2 angeordnet ist, im wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt mit zwei Schenkeln 3, und eine die beiden Schenkel verbindenden Verbindungsfläche 5 auf. Der U-förmige Flansch 1 umschließt zusammen mit der
Wand des rohrförmigen Bauteiles 2 einen Hohlraum 6, in dem über einen Anschlußstutzen 7 ein Kühlmedium 8, beispielsweise
Wasser oder Gas, zu- bzw. abgeführt wird. In der Figur 1 wird das rohrförmige Bauteil 2 aus Quarz mit einem Deckel 9 über einen Spannring 10 und Spannschrauben 11 verschlossen.
Sowohl zwischen dem Deckel 9 und der Dichtfläche 12" des Flansch als auch zwischen dem Spannring 10 und dem oberen Schenkel 4 ist jeweils ein Dichtring 13, 14, im vorliegenden Fall ein
O-Ring, eingelegt. Der obere Schenkel 4 des Flansches 1 verläuf zur Wand des rohrförmigen Bauteiles 2 geneigt, so daß der
Hohlraum 6 von der Außenseite zum Bauteil 2 hin vergrößert ist. Die Klemmfläche 15 des Spannringes 10 ist parallel zu der Außenfläche des Schenkels 4 abgeschrägt.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Flansch 16 ist dessen unterer Schenkel 17 länger ausgeführt als der obere, an der Rohrwand 18 anliegende, schräg verlaufende Schenkel 19. Hier besteht die Gefäßwand, entsprechend zu Figur 1, aus Quarzgut, das an seiner Innenwand 20 sehr massiv, dicht und gut in einer Tiefe von etwa 2 bis 3 mm verschmolzen ist, aber im übrigen äußeren Bereich 21 zahlreiche Lunker von typischerweise 0,5 mm Größe enthält. Damit diese Lunker unwirksam werden und ins¬ besondere die gesamte axiale Dichtungsfläche 12 zum Dichtring 1 hin optimal abgedichtet wird, wird in diesem Ausführungsbeispie der untere, länger ausgebildete Schenkel 17 über die gesamte Stirnfläche des rohrförmigen Bauteiles 2 gezogen.
Der in Figur 3 dargestellte Flansch 22 ist als gesondertes Bauteil gefertigt und nachträglich an dem rohrförmigen Bauteil mit seinen Schenkeln an den Stellen 23, 24 angeschweißt. Stirnseitig bedeckt der Schenkel 25, der die Dichtfläche bildet, nur den Bereich der Stirnseite des rohrförmigen Bau¬ teiles, der im wesentlichen die Lunker aufweist. Der in Figur 4 gezeigte Aufbau entspricht im wesentlichen dem in Figur 1 gezeigten Aufbau. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch ein Flansch 26 eingesetzt, dessen Verbindungsfläche 2 in einem Winkel 28 von etwa 25 aus der durch die strich¬ punktierte Linie 29 angedeuteten Rohrachse zum Rohrende hin in Richtung des Rohrinneren geneigt verläuft.
Unter Umständen, falls eine Kühlung mit einem flüssigen Kühl¬ medium nicht erforderlich ist, kann der Hohlraum 6 des Flansches auch mit Granulat oder Sand gefüllt sein. t Die gezeigten Flansche eignen sich insbesondere für Gasphasen- Epitaxie-Glocken, bei denen hohe Anforderungen an die Dicht¬ eigenschaften gestellt werden.

Claims

rPatentansprüche
1. Rohrförmiges Bauteil aus Quarzglas oder Quarzgut, wie ein Rohr, eine Glocke, eine Haube oder ein Tiegel, mit einem angeschmolzenen oder angeschweißten Flansch, dadurch - gekennzeichnet, daß der Flansch (1; 16; 22} 26) als dünn¬ wandiger Hohlflaπsch ausgebildet ist.
2. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser oder Gas, oder einem wärmedämmenden Stoff gefüllt ist.
3. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (1; 16; 22; 26) ein im Querschnitt etwa U-förmiges bzw. trogförmiges Bauteil ist.
4. Rohrförmiges Bauteil mit Flansch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im Querschnitt U-förmige bzw. trogförmige Flanschteil (16; 22; 26) einen längeren und einen kürzeren Schenkel (19) .aufweist, wobei der längere Schenkel (17) die Stirnseite des rohrförmigen Bauteiles (2) zumindest teilweise abdeckend angeordnet ist, und daß beide Schenkel abgedichtet mit dem Bauteil verbunden sind.
5. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Verbindungsfläche (27) zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Flanschteiles (26) zum Rohrende hin in Richtung des Rohrinnern geneigt verläuft.
6. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche (27) unter einem Winkel (28) von etwa 15 bis 30 ° zur Rohrachse (29) geneigt verläuft.
7. Rohrförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Flansches (1; 16; 22; 26) 4 bis 10 mm beträgt.
8. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei sich diametral gegenüberliegenden Stellen des Flansches (1; 16; 22; 26) jeweils ein Aπschlußstutzen (7) für die Kühlmittelzufuhr und -abfuhr angeordnet ist.
9. Rohrförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gasphasen-Epitaxie-Glocke für die Wärmebehandlung von Halbleitersubstraten ist.
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