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Vorrichtung zur Verhinderung einer unerwünschten Rückdiffusion von
Gasen in das Präparationsrohr von Rohröfen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Verhinderung einer unerwünschten Rückdiffusion von Gasen, insbesondere der atmosphärischen
Bunt, in das offene, von einer Schutzgas- und/oder Transportströmung durchflossene
Präparationsrohr von Rohröfen insbesondere der Ralbleitertechnik sowie von horizontalen
Rohranlagen der Epitaxie, Durch die bisherige technische Praxis wird zwar bestätigt9
daß sich der ideale, aus technologischen Gründen geforderte Zustand eines nur mit
Schutzgas gefüllten Präparationsrohres angenähert in tolerierbaren Grenzen realisieren
läßt Für die Präparationstechnik insbesondere von Halbleiterkristallen ist jedoch
eine quantitative Steuerung der Rückdiffusion einer äußeren Gasphase gegen die Strömung
des Schutzgases im Präparationsrohr wegen der verbreiteten und vielseitigen technologischen
Anwendungen von grundsät-zlichem Interesse Nach dem bisherigen Stand der Technik
hat man bei offenge haltenem Rohrausgang eines Präparationsrohres die Rückdiffusion
zOBo der Luft in das Präparationsrohr durch die Ge schwindigkeit v der gesamten
Schutzgasströmung reguliert, Diese Geschwindigkeit v-ist jedoch relativ klein (einige
Zentimeter pro Sekunde), und es wird hierbei die gesamte Gasmenge der $chutzgasströmung
zur Regulierung verwendet.
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h sei darauf hingewiesen, daß die Strömungsgeschwindigkeit v an der
inneren Rohrwand des räparationsrohres sowohl im laminaren als auch im turbulenten
Strömungsustand verschwin det. -Tieinzufolge dringt die Luft in das Rohrinnere in
der 1 Nähe der inneren Rohrwand praktisch unbeeinflußt von der
steuernden
Strömungsgeschwindigkeit v ein0 Hieraus erhellt, daß die Abwendung einer unerwänsehten
Rückdiffusion der atmoshärischen Luft in das Innere des Präparationsrohres in der
nach dem-Stande der Technik üblichen Weise qualitativ sehwerfallig und ohne große
Variationsmöglichkeiten in der Steuerung ist. In quantitativer Hinsicht sind die
Verhält nisse sogar im allgemeinen unbekannt und werden mehr oder weniger gefühlsmäßig
gehandhaDtO In manchen Fällen wird der Ausgang des Präparationsrohres wenigstens
zeitweilig mit einer Kappe versehene Die Ausströmung des Schutzgases erfolgt hierbei
durch ein in der Kappe steckendes Röhrchen.
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Diese Methode ist jedoch ebenfalls aus verschiedenen Gründen unbefriedigend0
Das-Problem der unerwünschten Rückdiffusion der Luft in das Innere des Präparationsrohres
existiert prinzipiell auch für die in der Abschlußkappe steckenden Rohrausgänge
der Schutzgasströmung. Eine Variationsfähigkeit in der Regulierung der unerwünschten
Rückdiffusion der Luft ist auch bei dieser Maßnahme ebenso wenig gegeben wie ohne
Abschlußkappe. In der Praxis mÄ3 aber die Kappe bisweilen abgenommen werden. Die
sich dabei ergebenden Verhältnisse hinsichtlich der Anwesehheit unerwünschter Luftmengen
im Präparationsrohr entziehen sich praktisch einer quantitativen Kontrolle. Außerdem
wird die ungehinderte Betätigung eines Schiebers zum Einfügen der Halbleiterkörper
durch eine xbschlußkappe am Ausgang des Präparationsrohres sehr erheblich eingeschränkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Gründen
einer Verbesserung der Qualität insbesondere der Halbleiterpräpa-rate und einer
Anhebung der fabrikationsmäi' gen Ausbeutezahlen sowie allgemein wegen einer erwünschten
Erhöhung der Sicherheit und Reinheit von im Präparationsrohr durchgeführten Verfahren,
die Rückdiffusion eines unerwünschten Gases, wie z.B. Luft, in das Rohrinnere noch
wesentlich mehr als bisher zu unterdrücken oder ganz zu verreiden.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung
zur Lösung der vorstehenden Aufgabe vorgesehenp daA eine das Präparationsrohr verlängernde,
dem Prä-parationsrohrdurchmesser entsprechende, auf das offene Präparationsrohrende
lückenlos aufsteckbare Rohrmanschette vorgesehen ist, daß die Rohrmanschette an
der inneren Rohrwand in einem bestimmten Abstand vom Rohrmanschettenausgang mit
einer ring förmigen, wüstartigen, einen Hohlraum bildenden Erhebung ver sehen ist,
daß die Wand der Rohrmanschette eine Bohrung aufweist, durch die eine Schutzgaszuführung
in den Hohlraum der Erhebung einmündet, daß die ringförmige Erhebung auf ihrer dem
Rohrmanschettenausgang zugewandten Flanke zahlreiche klei ne ttisenöffnungen aufweist,
durch die ein Schutzgasstrom aus der das Präparationsrohrende verlängernden Rohrmanschette
herausblasbar ist, dessen sich überlappende und gegenseitig durchdringende Strahlen
die ganze vffnung des Rohrmanschet tenausganges und die Randzone der inneren Wand
der Rohrman schette vollstandig überdecken und einen strömungsmechanisch wirkenden
Ventilverschluß darstellen, und daß der Schutzgas strom aus den Düsenöffnungen durch
eine Druckregeleinrichtung so regulierbar ist, daß dessen Strömungsg,eschwindigkeit
im Querschnitt des Ausgangs der Rohrmanschette überall größer ist als die hiervon
unabhängig einstellbare Strömungsgeschwin digkeit der Schuizgas- und/oder Transportströmung
im Präpa rationsrohrO, Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine quantitativ
steuerbare Redazierung-ser unerwünschten Rückdiffusion der Luft in das Präparationsrohr
in einer von der ursprünglichen Rohrströmung im Präparationsrohr unabhängigen Welse
ermöglicht0 Die Rückdiffusion der Luft in das Präparationsrohr eines Rohr ofens
kann aufgrund der Erfindung verhindert werden, ohne daß an bestehenden Präparationsanlagen
technologische Verändern gen vorgenommen zu werden brauchen. Die 7orricntung gemäß
der Erfindung erfordert praktisch keinen Aufwand oder nennenswerte UnkostenO
Bei
der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden also aus zahlt reichen kleinen Düsenöffnungen
viele sich überlappende und gegenseitig durchdringende kegelförmige Strahlen von
Schutz gas aus dem Inneren eines manschettenförmigen Endstückes, welches auf das
Präparationsrohr des Rohrofens gesteckt wird, herausgeblasenO Diese sich überlappenden
und gegenseitig durchdringenden Strahlen eines Schutzgases überdecken die gesamte
Rohröffnung des durch die Manschette etwas verlänger ten Präparationsrohres vollständig
und stellen einen strömungsmechanisch wirkenden Ventilverschluß des aus technol
gischen Gründen offenbleibenden Präparationsrohres gegen die Rückdiffusion der Luft
dar, Durch die einstellbare Intensität der sich überlappenden kegelförmigen Strahlen
eines Schutzgases bleibt die strömungsmechanische Ventilwirkung erfindungsgemäß
variabel. Diese Variationsfähigkeit der strö mungsmechanischen Ventilwirkung ist
von der für das Präparationsverfahren im Präparationsrohr benötigten Grundstr-ömung
eines Schutzgases vollständig unabhängig. Es ist lediglich zu berücksichtigen, daß
die Strömungsgeschwindigkeit'in den sich überlappenden kegelförmigen Schutzgasstrahlen
merklich größer als die Strömungsgeschwindigkeit der Schutzgas-Grundströmung im
Präparationsrohr sein muß. Die Unabhängigkeit der einstellbaren strömungsmechanischen
Ventilwirkung von der Schutzgas-Grundströmung im Präparationsrohr verleiht der Vorrichtung
gemäß der Erfindung eine allgemeinere technische Bedeutung, da auf diese Weise rein
strömungsmechanisch ohne Verwendung fester materieller Mechanismen, welche die beste
hende Technologie erheblich verändern würde prinzipiell wichtige Transportgrößen
rückdiffundierender Gasphasen in Rohratrömungen gesteuert und gedrosselt werden
können, Durch die vielen sich gegenseitig überlappenden kegelförmigen Schutzgasstrahlen
können keine ''Schatten" oder toten Räume" durch in das Präparationsrohr hineinragende
Gegenstände, wie zOBQ Stangen zum Verschieben von Präparaten im Präparations rohr,
in der Gesamtströmung des Strahlensystemes entstehen Außerdem sind bei der vorliegenden
Vorrichtung gemäß der Er
findung die Düsenöffnungon unmittelbar
in der Nähe der Rohrwand der auf das Präparationsrohr gesteckten Manschette in einer
kleinen Erhebung angebracht, die sich bis auf eine Aussparung für die Stangenschieber
ringförmig an der Peripherie des inneren Rohrquerschnittes der Manschette erstreckte
Durch diese Anordnung werden in den Rohrquerschnitt des Präparationsrohres hineinragende'
Düsenzuführungsröhrchen ver miedenO Es bleibt somit der gesamte Rohrquerschnitt
des Präparationsrohres freie Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus den nachfolgenden Erläuterungen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der Figuren -I bis 3o In den Figuren sind gleiche Teile- mit, den gleichen
Bezugszeichen versehene In Figo 1 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem
Längsschnitt längs der Rohrachse des Präparationsrohres R eines Rohrofens dargestellt0
Die Wand des Präparationsrohres R ist mit dem Bezugszeichen 11 versehen, Der offene
Ausgang des Präparationsrohres R befindet sich an der Stelle xOO Auf der rechten
Seite der Fig. 1 ist das Präparationsrohr R in Wirk lichkeit nicht zu Ende, die
Figur zeigt nur das Rohrstück in der Nähe des.linken offenen Rohrausganges, dessen
Rand durch xo bezeichnct wird. Mit dem stangenförmigen Schieber 13 wird beispielsweise
ein Schiffchen 12, auf dem sich Halbleiterpräparate befinden, in das Präparationsrohr
R hineingeschoben0 Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen aus
einer Manschette 17, die mit Hilfe der Halterung 170 auf das Präparationsrohr R
gesteckt wird. In 170 ist eine flache Aussparung von der Dickc der Rohrwand 11,
so daß die Manschette 17 ohne Veränderung des Rohrquerschnitts praktisch lückenlos
das Präparationßrohr um ein relativ kurzes Stück nach links hin verlängert0 Die
Wand der Manschette 17 enthält oben eine Bohrung, durch die das Zuführungsröhrchen
14 für
Schutzgas G in den ringförmig, im inneren Querschnitt der
Manschettc 17 verlegten Hohlraum 140 einmündet. Dieser ringförmige Hohlraum bildet
eine wulstartige flache Erhebung an der inneren Rohrwand der Manschette 17.
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Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß diese ringförmige Erhebung mit dem
Hohlraum 140 auf der Unterseite des Rohres R eine Aussparung für die Stangenschieber
13 freiläßt. Fig. 3 zeigt die Manschette 17 mit dem feststehenden Röhrchen 14 im
Rohrquerschnitt an der Stellc des Hohlraumes 140o Die Erhebung des ringförmigen
Hohlraumes 140 enthält.auf ihrer linken Flanke zahlreiche kleine Düsenöffnungen
15, von denen in Fig0 1 nur eine einzige im Längsschnitt der Vorrichtung liegt und
somit in der Zeichnung erscheint. Die Düsenöffnungen 15 bilden einen Kranz von etwa
äuidistanten kleinen Löchern, wie dies in Figo 3 zu sehen ist. Aus jeder einzelnen
dieser Düsenöffnungen wird ein kegelförmiger Schutzgasstrahl so aus der offenen
Rohröffnung des Manschettenrohres 17 ausgeblasen, daß jeder dieser Strahlen die
ganze Rohröffnung des Manschettenrandes ausfüllt und bereits vor der Rohröffnung
an der inneren Rohrwand von 17 entlangstreicht0 Diese Distanz des auftreffenden
Strahles bis zum Rande 171 ist durch h gekennzeichnet, wobei h etwa 2 bis 3 cm betragen
soll. Die einzelnen aus den Düsenöffnungen 15 austretenden Schutzgas strahlen überlappen
und durchdringen sich gegenseitig0 Hier durch bilden sie strömungsmechanisch in
bezug auf die Rück diffusion der Außenluft in das Präparationsrohr R ein ärodynamisches
Ventil, dessen Wirkung durch die Intensität der aus den Düsenöffnungen 15 austretenden
Schutzgasstrahlen gesteuert werden, kanne Die Steuerung dieses ärodynamischen Ventils
ist ersichtlich von der Schutzgas-Grundströmung des Praparationsrohres R mit der
Geschwindigkeit v unabhängigO- , Die Strahlgeschwindigkeit v* des Schutzgasstrah,les
muß -an jeder Stelle des Ausganges 171 des Manschettenrohres 17 betracht lich größer
sein als die Strömungsgeschwindigkeit v'der-;-Schutzgas-Grundströmung im Präparationsrohr
R.
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In yigD 2 wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung im Längsschnitt
wie in Fig. 1, jedoch ohne das Präparationsrohr R und ohne die Strömungspfeile vt
und v, welche die Wirkungsweise der Vorrichtung erläutern sollen, dargestellt0 Ersichtlich
ist 17 die bereits erwähnte Rohrmanschette, die mit der Halterung 170 auf das Präparationsrohr
R des Rohrofens gesteckt wird. 171 bezeichnet den Rand der Offnung des Manschettenrohres
17o Die Halterung 170 enthält eine flache Vertiefung für das dort einzuschiebellde
PräparationsrohrO 14 ist das Zutührungsröhrchen für das Schutzgas der Schutzgasstrahlen,
die aus den Düsenöffnungen 15 in der Wand des flachen ringförmigen Hohlraumes 140
in Richtung des Ausganges 171 des Manschettenrohres 17 herausgeblasen werden0 Die
Intensität dieser Strahlen wird durch den Strömungsdruck im Zuführungsröhrchen 14
vorzugsweise durch ein Hahnventil reguliert.
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Wie bereits erwähnt, zeigt Fige 3 diese Manschettenvorrich tung gemäß
der Erfindung im Querschnitt, wenn man von außen längs der Rohrachse in das Innere
des Präparationsrohres R hineinschaut. Man sieht in Fig. 3 besonders die Zuführung
und Einmündung des Röhrchens 14 durch die Manschette 17 hindurch in den ringförmigen
Hohlraum 140 mit den wie ein Kranz angeordneten Düsenöffnungen 15o Unten hat der
ringförmige Hohlraum 140 eine Aussparung für die in das Präparationsrohr R hineinführenden
Stange nschi eber 130 Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird zweckmäßig
aus Metall, aus quarz oder feuerfestem Glas hergestelltO Die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird zweckmäßig derart betrieben, daß durch die Schuzzgaszuführung in der Rohrmanschettenwand
und die ringförmige, einen Hohlraum bildende, mit Düsen versehene Erhebung der Rohrmanschette
ein Schutzgasstrom geleitet wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des aus den
Düsen austretenden Schutzgasstromes von der Strömungsgeschwinç digkeit der Schutzgas-
und/oder- Transports-trömung im Präparationsrohr
unabhängig ist,
so daß die ,Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit der Schutzgas- und/oder Transportströmung
im Präparationsrohr nur für den Präparationsprozeß selbst verfügbar wird, wobei
diese Einstellung durch den manipulierbaren Druck an der Schutzgaszuführungder Rohrmanschette
vorgenommen wird, so daß insbesondere in der Nähe der inneren Rohrwand der Rohrmanschette
die re sultierende Strömungsgeschwindigkeit einstellbar so weit vergrößert wird,
daß der in die das Präparationsrohr verlängernde, Rohrmanschette eindringende Luftstrom
quantitativ steuerbar auf ein bestimmtes Maß reduziert und praktisch abgedrosselt
wird0 9 Patentansprüche 3 Figuren