Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, umfassend einen Behälter zum Einschließen eines Gases mit einer Öffnung und einer die Öffnung umgebenden Oberfläche und eine Abdichtung zum Abdichten der Öffnung des Behälters mit einer gegen die Oberfläche des Behälters gedrückten Oberfläche.

Anordnungen zum Einschließen eines Gases werden in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt. Auf dem technischen Bereich der Herstellung eines Halbleiterbauelements ist es üblich und notwendig, Reaktoren zu verwenden, insbesondere für Oxidations- und/oder Ausheilprozesse. Solche Arten von Anordnungen umfassen üblicherweise einen wie ein Prozeßrohr ausgebildeten Behälter, wobei Wafer innerhalb des Prozeßrohrs in einer als Schiffchen bezeichneten Einrichtung gestapelt sind. Zudem umfaßt das Prozeßrohr üblicherweise einen die Öffnung des Prozeßrohrs umgebenden Rohrflansch. Üblicherweise ist der rohrförmige Reaktor durch eine Abdichtung abgedichtet, die wie eine Türplatte ausgebildet ist. Zum Abdichten wird die Türplatte durch eine Schließkraft gegen den Rohrflansch in der Umgebung der Öffnung des Reaktors gedrückt. Für gute Prozeßergebnisse gibt es üblicherweise eine große Nachfrage nach gasdichter Abdichtung, so daß der Prozeßdruck innerhalb des Reaktors nicht mit dem Umgebungsdruck der Außenwelt variiert. Ein weiteres Ziel einer guten Abdichtung besteht darin, zu verhindern, daß das eingeschlossene Gas durch die Abdichtung hindurchtritt.

Insbesondere auf dem Gebiet der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden Reaktoren für Oxidations- und/oder Ausheilprozesse wie etwa Luftöfen mit hohen Prozeßtemperaturen von z.B. bis zu 1050°C gefahren. Diese hohen Prozeßtemperaturen machen es üblicherweise erforderlich, als Material für das Reaktorrohr und die abdichtende Türplatte Quarz zu verwenden. Diese Art von Abdichtung ist üblicherweise nicht absolut gasdicht, wodurch der Prozeßdruck mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck variiert. Insbesondere in Luftöfen, wo die Oxidaufwachsrate vom Reaktordruck abhängt, hängt somit die Filmdicke von dem Umgebungsdruck ab.

Bei verschiedenen Formen wohlbekannter Anordnungen zum Abdichten von Öffnungen von Prozeßreaktoren werden beispielsweise Metallplatten oder Kammern mit zusätzlichen Abdichtmaterialien verwendet, die flexibel sein können, um insbesondere den guten Kontakt zu verbessern. Aufgrund der oben erwähnten hohen Prozeßtemperaturen können diese Arten von Materialien üblicherweise nicht in diesen Arten von Prozeßreaktoren verwendet werden. Andere Formen von Abdichtanordnungen umfassen sehr glatte und flache Oberflächen des Rohrflansches neben der Öffnung und der abdichtenden Türplatte. Bei einigen Anwendungen gibt es zusätzlich oder alternativ eine Nut in dem Rohrflansch, die evakuiert oder unter Druck gesetzt wird. Zudem kann es einen unter Druck stehenden Bereich um den Flansch herum geben, der eine positive Abdichtung gegenüber der umgebenden Umwelt besitzt. Diese Merkmale werden insbesondere für chemische Abdichtung erzeugt, was verhindern soll, daß Gas durch die Abdichtung hindurchtritt und dadurch in den Reaktor hineingelangt oder aus dem Reaktor herausgelangt.

Um einen guten Quarz-Quarz-Abdichteffekt zu erzielen, ist es notwendig, sehr flache und glatte Quarzoberflächen zu haben, die sich auf die ganze Oberfläche des Rohrflansches und der Türplatte erstrecken, die für eine ordnungsgemäße Abdichtung erforderlich ist. Für die Herstellung solcher Arten von Oberflächen sind geeignete Produktionsmittel, die üblicherweise erforderlich sind, meist relativ teuer. Zudem sind bei einigen Anwendungen diese Arten von Anordnungen für eine ordnungsgemäße Abdichtung nicht ausreichend.

Aus US 5,498,292 ist eine Erwärmungseinrichtung bekannt, die einen röhrenförmigen Reaktor und eine Tür mit einer U-förmigen Konfiguration umfaßt.

Angesichts des Stands der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Reaktors zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, der einen Behälter zum Einschließen eines Gases umfaßt, der eine Druckvariation innerhalb des Behälters, die durch eine Druckvariation in der umgebenden Umwelt verursacht wird, reduzieren kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, umfassend einen Behälter zum Einschließen eines Gases mit einer Öffnung und einer die Öffnung umgebenden Oberfläche, eine Abdichtung zum Abdichten der Öffnung des Behälters mit einer gegen die Oberfläche des Behälters gedrückten Oberfläche, wobei Abschnitte der Oberfläche des Behälters und entsprechende Abschnitte der Oberfläche der Abdichtung eine Kombination aus einer abgeschrägten Spitze und Nut um die Öffnung herum umfassen, nach Anspruch 1.

Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt der Reaktor bessere Abdichteigenschaften bereit. Die gewünschte Abdichtung wird erreicht durch den Kontakt der entsprechenden Teile der abgeschrägten Spitze und Nut, auf der Oberfläche des Behälters und der Abdichtung angeordnet. Diese Abschnitte der Oberfläche, die im Vergleich zu der die Öffnung umgebenden Oberfläche des Behälters und der Oberfläche der Abdichtung relativ klein sind, müssen üblicherweise sehr flach und glatt sein, damit man eine ordnungsgemäße Abdichtung erhält.

Die Abdichtung hängt jedoch weniger von der Flachheit der ganzen jeweiligen Oberflächen ab. Aufgrund der relativ geringen Größen der kontaktierenden Oberflächen kann der Reaktor zu etwa den gleichen Kosten über existierende Technologien hergestellt werden.

Der bereitgestellte Reaktor läßt sich auf verschiedene Reaktoren anwenden, die einen Behälter zum Einschließen eines Gases und eine entsprechende Abdichtung zum Abdichten des Behälters umfassen. Der bereitgestellte Reaktor ist bevorzugt für Oxidations- und/oder Ausheilprozesse in der Lage. Vorteilhafterweise läßt sich der bereitgestellte Reaktor in einen Ofen umfassenden Reaktoren aufgrund der relativ hohen Prozeßtemperaturen anwenden. Bei solchen Arten von Anwendungen werden die Teile der kontaktierenden Oberfläche des Behälters und der Oberfläche der Abdichtung üblicherweise aus Quarz ausgebildet.

Der Effekt einer verbesserten Abdichtung ist signifikant in Luftöfen zu beobachten, wo die Oxidaufwachsrate während des Prozesses von dem Reaktordruck abhängt. Da der Prozeßdruck nicht mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck variiert, ist die Filmdicke von dem Umgebungsdruck unabhängig. Insbesondere werden Oxidationsprozesse, die HCl verwenden, besser eingegrenzt.

Beispielsweise umfaßt eine typische Anordnung eines Luftofenreaktors eine aus Quarz ausgebildete abdichtende Türplatte und ein auf die Türplatte aufgesetztes Prozeßrohr, wobei das Prozeßrohr einen Rohrflansch umfaßt. Zum Abdichten des Prozeßrohrs wird die Türplatte über eine Schließkraft gegen den Rohrflansch gedrückt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist aufgrund der Anordnung der abgeschrägten Spitze und Nut um das Prozeßrohr herum die Schließkraft eine horizontale Komponente auf, die in einer Richtung wirkt, in der sowohl der Flansch als auch die Türplatte eine höhere Steifigkeit besitzen. Das Ergebnis ist eine geringere Verformung, wenn die Schließkraft ausgeübt wird.

Hinsichtlich der oben erwähnten Vorzüge der vorliegenden Erfindung ist der Reaktor insbesondere für Oxidations- und/oder Ausheilprozesse geeignet. Zudem kann der bereitgestellte Reaktor in verschiedenen Überdruckanwendungen sowie in verschiedenen Vakuumanwendungen eingesetzt werden. Im Hinblick auf die hohen Anforderungen während der Herstellung eines Halbleiterbauelements eignet sich der Reaktor insbesondere für die Herstellung von Halbleiterwafern mit gegenwärtigen und zukünftigen Technologien. Insbesondere können bei den hohen Anforderungen an die Herstellung von Wafern mit einem erhöhten Durchmesser, z.B. von Wafern mit einem Durchmesser von mindestens 300 mm, die Vorzüge der vorliegenden Erfindung deutlich erkannt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen Spitze und Nut Querschnittsflächen mit entsprechenden Gestalten und Abschrägungswinkeln. Zudem sind asymmetrische Abschrägungswinkel möglich. Insbesondere hängt die Abmessung der Abschrägungswinkel von der gegenwärtigen Oberfläche und der zur Verfügung stehenden Schließkraft ab. Insbesondere kann durch gute Anpassung von Spitze und Nut ein verbesserter Abdichteffekt beobachtet werden.

Dazu umfassen Spitze und Nut vorteilhafterweise Querschnittsflächen mit unterschiedlichen Größen. Beispielsweise weist die Spitze im Vergleich zur Querschnittsfläche der entsprechenden Nut eine kleinere Querschnittsfläche auf. Dies stellt einen guten Kontakt der kontaktierenden Oberflächen sicher. Um die Passung gegeneinander zu verbessern, können zudem die Abdichtung und/oder der Behälter sich vertikal zu der Anpreßrichtung bewegen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Spitze und Nut kreisförmig. Beispielsweise ist der Durchmesser der Spitze, die wie ein Ring ausgebildet ist, von dem Durchmesser der Nut verschieden. Beim Prozeß des Anpressens der Abdichtung gegen die Oberfläche des Behälters kann ein Selbstzentrierungseffekt beobachtet werden. Je nach dem Prozeß ist der jeweilige Durchmesser des Rings und/oder der Nut so dimensioniert, daß der Ring innerhalb oder außerhalb schließt.

Wie oben erwähnt kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise in verschiedenen Überdruck- oder Vakuumanwendungen verwendet werden. Deshalb umfaßt bei einer Ausführungsform der Erfindung der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung eine Umgebung mit einem Gas mit einem Druck auf einem ersten Niveau, wobei das Gas innerhalb des Behälters einen Druck mit einem zweiten Niveau hat, wobei das erste und das zweite Niveau verschieden sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Reaktor Spülmittel zum Spülen eines gegebenen Volumens zwischen Spitze und Nut, oder der Reaktor umfaßt Evakuiermittel zum Evakuieren eines vorliegenden Volumens zwischen Spitze und Nut. Mit dem Spülmittel bzw. dem Evakuiermittel kann die chemische Abdichtung des Reaktors verbessert werden. Je nach der Anwendung wird ein vorliegendes Volumen zwischen Spitze und Nut gespült oder evakuiert, so daß die gewünschte chemische Abdichtung erzielt wird.

Bevorzugt sind die Oberfläche des Behälters und die Oberfläche der Abdichtung neben Spitze und Nut flach und geradlinig. Bei flachen und geradlinigen Oberflächen kann ein guter Abdichteffekt mit der kontaktierenden Spitze und Nut beobachtet werden. Deshalb können keine anderen kontaktierenden Gebiete der Oberflächen den Abdichteffekt der kontaktierenden Oberflächen von Spitze und Nut stören.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Luftofenreaktors,

2 eine Querschnittsansicht einer Abdichtanordnung,

3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

4 ein Diagramm und eine entsprechende Tabelle mit unterschiedlichen Abschrägungswinkeln und betreffenden Kräften.

1 veranschaulicht schematisch einen Ofenreaktor 100, der ein Prozeßrohr 1 mit einem Rohrflansch 4, eine Heizvorrichtung 6 um das Prozeßrohr 1 herum und eine Türplatte 5 zum Abdichten der Öffnung 10 des Prozeßrohrs 1 umfaßt. In das Prozeßrohr 1 wird ein sogenanntes Schiffchen 3 gesetzt, wo Wafer 2 aufgestapelt sind. Zum Abdichten der Öffnung 10 des Prozeßrohrs 1 wird die Türplatte 5 gegen den Rohrflansch 4 des Prozeßrohrs 1 gedrückt. Deshalb wird eine Schließkraft F_C mit einer Richtung vertikal zur Oberfläche des Rohrflansches 4 auf die Türplatte 5 ausgeübt. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, wirkt die Schließkraft F_C in einer Richtung, in der sich die Türplatte 5 leicht verformt. Die Schließkraft F_C wird üblicherweise von einem Förderwerk ausgeübt, so daß er gleich einer Förderwerkkraft F_e ist. Aufgrund der hohen Prozeßtemperaturen in dem Prozeßrohr 1, die von der Heizvorrichtung 6 ausgeübt werden, sind die kontaktierenden Teile der Türplatte 5 und des Rohrflansches 4 aus Quarz ausgebildet. Je nach dem angewendeten Prozeß umfaßt der Reaktor eine Umgebung mit einem Gas 12 mit einem Druck auf einem ersten Niveau und ein Gas 11 innerhalb des Behälters 1 mit einem Druck auf einem zweiten Niveau. Das erste und das zweite Niveau können verschieden sein.

2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Abdichtanordnung, die Teile der Türplatte 5 und des Rohrflansches 4 umfaßt. Für eine ordnungsgemäße Abdichtung ist es notwendig, daß die Oberflächen der Türplatte 5 und des Rohrflansches 4 sehr glatt und flach sind. Um die chemische Abdichtung zu verbessern, kann in dem Rohrflansch 4 ein Spül-/Vakuumanschluß 7 angefertigt sein, der evakuiert oder unter Druck gesetzt wird. Zudem ist es möglich, um den Flansch 4 herum einen unter Druck stehenden Bereich herzustellen, der eine positive Abdichtung gegenüber der umgebenden Umwelt aufweist. Da diese Art von Abdichtung nicht absolut gasdicht ist, was bedeutet, daß Teile eines Gases immer noch durch die Abdichtung hindurchdringen können, variiert der Prozeßdruck innerhalb des Prozeßrohrs mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck. Somit hängt die Filmdicke auf den Wafern 2 von dem Umgebungsdruck ab.

3 zeigt schematisch eine Abdichtanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, umfassen Teile der Oberfläche 41 des Rohrflansches 4 und entsprechende Teile der Oberfläche 51 der Türplatte 5 eine Kombination aus einer abgeschrägten Spitze 8 und Nut 9, um die Öffnung 10 des Prozeßrohrs 1 herum. Bei dieser Ausführungsform umfassen Spitze 8 und Nut 9 Querschnittsflächen mit entsprechenden Gestalten und Abschrägungswinkeln &agr;. Mit der Förderwerkkraft F_e wird die Oberfläche 51 der Türplatte 5 gegen die Oberfläche 41 des Rohrflansches 4 gedrückt. Um einen guten Kontakt sicherzustellen, umfassen die Querschnittsflächen von Spitze 8 und Nut 9 vorteilhafterweise unterschiedliche Größen. Dazu können sich die Türplatte 5 und/oder der Rohrflansch 4 bzw. das Prozeßrohr 1 vertikal zur Andrückrichtung der Förderwerkkraft F_e bewegen.

Da das Prozeßrohr 1 und die entsprechende Türplatte 5 üblicherweise kreisförmig ausgebildet sind, sind auch Spitze 8 und Nut 9 bevorzugt kreisförmig ausgebildet. Somit ist die Spitze 8 wie ein Ring ausgebildet. Je nach dem Prozeß in dem Prozeßrohr 1 schließen der Ring 8 und die entsprechenden Teile der Nut 9 auf der in 3 gezeigten Seite bzw. der Ring 8 und die Nut 9 schließen auf der anderen Seite. Deshalb sind für diese Anwendung der Durchmesser 20 des Rings 8 und der Durchmesser 21 der Nut 9 verschieden.

Zum Verbessern der chemischen Abdichtung kann das Volumen 13 zwischen Spitze 8 und Nut 9 durch den Spül-/Vakuumanschluß 7 gespült oder evakuiert werden. Deshalb umfaßt der Reaktor Spülmittel 14 zum Spülen des Volumens 13 oder Evakuierungsmittel 15 zum Evakuieren des Volumens 13. Die Anwendung des Spülens bzw. Evakuierens hängt üblicherweise von dem in dem Rohrflansch 1 ausgeführten Prozeß ab.

4 zeigt ein Diagramm und eine entsprechende Tabelle mit unterschiedlichen Abschrägungswinkeln &agr; und betreffenden Kräften F_C, F_h, F_f. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, besitzt die Schließkraft F_C eine horizontale Komponente F_h, die in der Richtung wirkt, wo sowohl der Flansch 4 als auch die Türplatte 5 eine höhere Steifigkeit besitzen. Dies führt vorteilhafterweise zu weniger Verformung der Türplatte 5. Aufgrund des Abschrägungswinkels &agr; wird mit der gleichen Förderwerkkraft F_e wie in 2 eine höhere Schließkraft F_C ausgeübt.

In der unten stehenden Tabelle werden Beispiele von unterschiedlichen Abschrägungswinkeln &agr; mit den entsprechenden Kräften gezeigt. F_f bezeichnet eine Reibungskraft, die sich aus dem Produkt des Reibungskoeffizienten c_f und der Schließkraft F_C ergibt. Die Tabelle zeigt die resultierenden Kräfte für eine Förderwerkkraft F_e = 50 N und einen Reibungskoeffizienten c_f = 0,3. Deshalb können die jeweilige Schließkraft F_C und die horizontale Kraft F_h über wohlbekannte Formeln hinsichtlich der verschiedenen Abschrägungswinkel &agr; berechnet werden.