Brevet FR2581711A1 — publié le 19861114

- 1 - PHF 85/542 A14 DISPOSITIF POUR LA REGULATION, L'INTERRUPTION OU LA COMMU- TATION DE FLUIDES L'invention concerne un dispositif pour la régu- lation, l'interruption ou la commutation de l'écoulement de fluides vers un réacteur, ces fluides incluant au moins un fluide réactant. Par fluide réactant, l'on entend tout fluide né- cessaire à la réalisation d'une opération ou réaction. Par réacteur, l'on entend tout lieu, ou toute en- ceinte o se fait l'opération ou la réaction. L'invention trouve son application, par exemple, dans la réalisation de réacteurs destinés à l'élaboration de couches cristallines par épitaxie en phase vapeur. Il est connu de l'art antérieur de guider l'écou- lement des fluides dans des tubes dont les sections peuvent être très variées, ces tubes étant par ailleurs réalisés à partir de matériaux très divers. La régulation, l'interruption ou la commutation de l'écoulement de ces fluides sont alors faites suivant les cas, par l'ouverture ou la fermeture de ro- binets ou de vannes, mettant en oeuvre le déplacement de pièces mécaniques les unes par rapport aux autres. Cependant, l'utilisation de ces robinets ou de ces vannes classiques se révèle difficile, voire même impossible dans de nombreux cas et en particulier: - lorsque les fluides utilisés sont corrosifs, - lorsque ces fluides sont polluants et qu'une dé- contamination est nécessaire pour réaliser la commutation ul- térieure avec un autre fluide, - - lorsque ces fluides doivent être maintenus du- rant leur écoulement, à haute température, ce qui peut être le cas de produits qui cristallisent à température ambiante, ou se solidifient, 2 5 8 1711 - 2 - PHF 85/542 A14 - lorsqu'un fluide doit être utilisé en alternance avec d'autres fluides, - lorsque ces fluides doivent être utilisés sous de très faible débit ou en très faible quantité, - enfin lorsque plusieurs de ces conditions sont imposées à la fois. En effet ces vannes ou robinets sont d'une fabri- cation difficile et coûteuse dès que les pièces mobiles qui les composent doivent être réalisées et ajustées avec préci- 1u sion pour certaines des applications envisagées plus haut. De plus, dans certains cas, les chocs thermiques ou la corrosion, par exemple, les rendent brutalement et de manière intempes- tive, totalement inopérantes en dépit du soin apporté à leur fabrication. C'est pourquoi la présente invention propose un dispositif qui permet de se libérer de ces difficultés. Selon la présente invention, ce but est atteint à l'aide d'un dispositif tel que décrit dans le préambule, ca- ractérisé en ce qu'il est constitué d'un système de tubes transportant le fluide réactant et/ou au moins un fluide vec- teur vers le réacteur, et en ce qu'au moins l'un de ces tubes est muni de restrictions servant à éviter l'écoulement du fluide réactant à contre-courant du (ou des) fluide(s) vec- teur(s) et/ou à éviter son retour vers sa source, et à régler son débit. Ce dispositif présente l'avantage de ne pas com- porter de pièces mobiles et donc de pouvoir être fabriqué par exemple en un matériau unique compatible à la fois avec le fluide réactant et le (ou les) fluides vecteurs. Par fluide vecteur, il convient d'entendre tout fluide compatible avec la réaction ou l'opération, mais ne prenant pas nécessairement part à cette opération ou réac- tion. Ce peut être par exemple un fluide complètement neutre vis-à-vis de la réaction, ou bien constituant l'atmosphère ou le milieu favorable à la bonne mise en oeuvre de la réaction. - 3 - PHF 85/542 A14 Selon une forme de réalisation de l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que le système de tubes est composé d'une part d'un tube principal dont une extrémité dé- bouche dans le réacteur et dont l'autre extrémité débouche sur une sortie, et d'autre part de trois tubes secondaires dits premier, deuxième et troisième tubes secondaires, en ce que le tube principal comporte quatre restrictions entre lesquelles débouchent respectivement les trois tubes secondaires, le pre- mier débouchant le plus près du réacteur, et en ce que le pre- mier et le troisième tubes secondaires servent à transporter le (ou les) fluide(s) vecteur(s) avec les débits respectifs D1 et D3, alors que le deuxième tube secondaire sert à transpor- ter le fluide réactant avec le débit D2 de telle manière que ce dispositif est équivalent à: a) une vanne fermée pour le fluide réactant lors- que D1 = D3 exactement, b) une vanne ouverte guidant le fluide réactant vers le réacteur lorsque D2 vers la sortie lorsque D2 Dans ces conditions en réglant simplement les dé- bits D1, D2, D3, le dispositif selon l'invention présente tou- tes les fonctions d'une vanne de commutation classique. Il présente en outre l'avantage de pouvoir être facilement décontaminé, de pouvoir subir des chocs thermiques, de permettre, par un réglage différentiel des débits, l'obten- tion d'un très faible débit du fluide réactant ou d'une très faible quantité de ce dernier. Dans un autre exemple de réalisation, ce disposi- tif est en outre caractérisé en ce que au moins l'un des tubes secondaires est également muni de restrictions. Dans ce cas, un meilleur contrôle du débit dans ce tube peut encore être obtenu. Le dispositif selon l'invention peut en parti- culier être caractérisé en ce que le système de tubes est -7- situés audessus du produit de départ, sont remplies d'une certaine quantité de vapeur saturée de celui-ci. Les change- ments de pression, au moment des commutations, provoquent la sortie indésirable de vapeur saturée de cet espace vers la chambre de réaction R. Ainsi la commutation d'une vanne de type courant peut provoquer en sortie d'une source une varia- tion de pression de l'ordre de 1 % entraînant le dépôt intem- pestif sur le substrat d'une couche épitaxiale de plusieurs nanomètres. Le remplacement d'une vanne classique par un dis- positif selon l'invention placé entre la source de gaz S et la chambre de réaction R permet de s'affranchir de ces problèmes, comme le montre l'exemple suivant: Exemple de réalisation Le dispositif utilisé est celui de la figure 2, à ceci près que plusieurs gaz réactants sont utilisés et amenés chacun au réacteur par l'intermédiaire d'un dispositif selon l'invention. Le système est prévu pour obtenir l'alternance de couches d'arséniure de gallium (GaAs) et d'arséniure de gal- lium et d'aluminium (Galx Alx As) sur un substrat en arsé- niure de gallium (GaAs) par la méthode aux organo-métalliques à partir de triméthylgallium (TMG), de triméthylaluminium (TMA) et d'arsine (ASH3) en atmosphère d'hydrogène. Une bouteille S1 fournira par exemple le TMG, une bouteille S2 fournira le TMA, l'arsine sera introduite par S3 sous forme gazeuse. chacun de ces produits sera introduit au moment voulu dans la réacteur par la voie destinée au fluide réactant d'un dispositif selon l'invention. Le fluide vecteur choisi sera ici l'hydrogène gazeux. Le débit du fluide vecteur de valeur haute sera de l'ordre de 200 cm3/min. , celui du fluide vecteur de valeur basse de l'ordre de 50 cm3/min. Le débit du produit est d'un ordre de grandeur plus faible que le débit du fluide vecteur de valeur haute. - 6 - PHF 85/542 A14 le fluide réactant dans la direction E, les restrictions 1 et 2 empêchant ce dernier de se propager vers R. Le dispositif se conduit comme une vanne ouverte guidant le fluide réactant vers E. Cette disposition peut ôtre utilisée par exemple pour la commutation du fluide réactant entre deux réacteurs, ou encore parce qu'il est d'une grande simplicité de changer le débit D1 en D3, et le débit D3 en D1 par une simple vanne V externe au système comme il est montré sur la figure 2, cette vanne interchangeant les débits de A et B. Pour éviter le retour des fluides vers leur sour- ce, chacun des tubes secondaires T1, T2, T3 peut en outre être muni de restrictions, respectivement 6, 5, 7. Le dispositif selon l'invention peut être avanta- geusement utilisé pour introduire les différents gaz réactants dans un réacteur destiné à la réalisation de couches cristal- lines par épitaxie en phase gazeuse. Tel que représenté sur la figure 2, un système d'épitaxie en phase gazeuse comprend un réacteur R dans lequel est placé un échantillon X,-et une bouteille source S d'un gaz réactant introduit dans R par un dispositif selon l'invention, D étant un débimètre. Pour obtenir sur l'échantillon X, consistant en un substrat monocristallin, l'élaboration de couches épitaxiales dont la composition et le dopage sont très précis, il est in- dispensable que la pression partielle des gaz réactants dans la chambre R de dépôt soit à tout moment bien contrôlée. De plus, une alternance de couches très minces peut aussi être désirée. Dans ce cas, la pression partielle de chacun des gaz réactants doit être bien contrôlée. Or, si des gaz sont introduits dans le réacteur R à partir de plusieurs bouteilles sources telles que S et que la commutation entre ces différentes sources est faite à l'aide de simples vannes, il est improbable que la pression totale de gaz à la sortie des sources reste constante. En effet, ces bouteilles sources, dans les espaces - 4 - PHF 85/542 A14 en quartz. Dans ce cas, le dispositif selon l'invention trou- ve une application particulièrement avantageuse dans l'amenée d'au moins un des gaz réactants à un réacteur servant à la réalisation de couches cristallines par une méthode de croissance épitaxiale en phase vapeur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante illustrée par les figures annexées dont: - la figure la qui représente schématiquement le dispositif selon l'invention; - la figure lb qui représente, vues en coupe et agrandies les portions de tubes de la zone Z de la figure la délimitée par un trait discontinu; - la figure 2 qui représente schématiquement un réacteur pour l'élaboration de couches cristallines par épi- taxie en phase gazeuse, ce réacteur étant muni d'un dispositif selon l'invention; - la figure 3 qui représente schématiquement un réacteur muni de différentes sources de fluides réactants par l'intermédiaire de dispositifs selon l'invention. Tel que représenté sur la figure la, le dispositif selon l'invention comprend un système de tubes P, T1, T2 et T3 munis de restriction 1, 29 3, 4, 5, 6 et 7. En particulier ce dispositif est constitué d'un tube principal P muni de quatre restrictions numérotées 1, 2, 3 et 4. Entre les restrictions 1 et 2, débouche dans P un tube secondaire T1; entre les restrictions 2 et 3 débouche un tube secondaire T2; et entre les restrictions 3 et 4 dé- bouche un tube secondaire T3. L'extrémité du tube P située du côté de la res- triction 1 débouche dans un réacteur ou dans une enceinte d'utilisation d'un fluide dit réactant S. Ce fluide réactant s est introduit dans le dispositif par le deuxième tube se- condaire T2. L'autre extrémité du tube principal P, est une sortie du dispositif vers, par exemple, une enceinte de - 5 - PHF 85/542 A14 récupération des fluides non utilisés dans le réacteur. Par les tubes T1 et T3 sont introduits des fluides dits vecteurs qui peuvent être neutres vis-à-vis de l'utilisa- tion faite du fluide réactant dans le réacteur, ou bien compa- tibles avec cette utilisation ou enfin former le milieu ou l'atmosphère favorable à la réalisation de la réaction. Ce peut être également un fluide réactant dans certaines propor- tions. Un détail de la zone Z du dispositif selon l'in- vention est représenté sur la figure lb, agrandi par rapport à la figure la. Les restrictions 3 et 4 qui y sont montrées sont des rétrécissements de la section du tube principal P sur une certaine longueur. Le tube T3 débouche entre ces deux ré- trécis ements. Les autres rétrécissements et les autres débouchés de tubes secondaires du dispositif sont tout à fait conformes à la structure montrée sur la figure lb. Lorsque l'on impose des débits respectivement D1, D2, D3 aux fluides introduits par les tubes secon- daires T1, T2, T3, plusieurs situations apparaissent. En premier lieu lorsque les débits D1 et D3 des fluides vecteurs sont absolument égaux tout en étant supé- rieurs au débit D2 du fluide réactant, alors le dispositif se conduit comme une vanne fermée pour le fluide réactant. Les fluides A et B maintiennent le fluide S au point 10 d'équili- bre du système. Les fluides A et B se dirigent quant à eux d'une part vers R et d'autre part vers E. En second lieu, lorsque les débits sont tels que D2 - 8 - PHF 85/542 A14 Il peut être réalisé à l'aide de ce dispositif (figure 3) une structure composite de couches alternées telles que, sur le substrat en GaAs, une première couche de GaAlAs de 2/um, puis une couche mince de GaAs de 4nm, suivie d'une seconde couche de Ga A1 As de 2/um. Ce type de structure composite est nécessaire à la réalisation de lasers à puits quantiques par exemple. Les couches minces d'arséniure de gallium sont ob- tenues par combinaison dans le réacteur, de l'arsenic gazeux et de vapeurs de TMG issues de la bouteille source SI.1 Les couches épaisses d'arséniure de gallium et d'aluminium sont obtenues par combinaison dans le réacteur de l'arsenic gazeux et de vapeurs de TMG et de TMA issues respectivement de la bouteille source S1 et de la bouteille source S2 Il est clair que des couches d'épaisseur aussi faible que 4nm ne pourraient être obtenues de façon reproduc- tible avec le dispositif connu de l'art antérieur puisque la meilleure précision sur l'épaisseur des couches était de plu- sieurs nm. Selon l'invention, en faisant arriver dans le réacteur, chaque produit par la voie réactant du dispositif, non seulement une épaisseur très mince peut être obtenue pour les couches, mais encore cette épaisseur est parfaitement re- productible. De plus les concentrations en produit peuvent être parfaitement contrôlées, ce qui est un avantage pour la réalisation des couches Galx Alx As. Dans l'exemple de réalisation décrit, les tubes avaient un diamètre intérieur de l'ordre de 3 mm et les res- trictions un diamètre intérieur de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm sur une longueur d'environ 20 mm. L'invention peut trouver son application à d'au- tres fluides. Si le fluide réactant présente une masse mo- léculaire plus grande que celle du fluide vecteur, la vis- cosité du mélange est alors différente et les valeurs des dia- mètres des tubes et des restrictions doivent être modifiées en - 9 - PHF 85/542 A14 conséquence, ainsi que les valeurs relatives des débits des fluides. 8 1711 - 10 - PHF 85/542 A14 REVENDICATIONS: 1. Dispositif pour la régulation, l'interruption ou la commutation de fluides vers un réacteur, ces fluides in- cluant au moins un fluide-réactant, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un système de tubes transportant le fluide ré- actant et/ou au moins un fluide vecteur vers le réacteur, et en ce que au moins l'un de ces tubes est muni de restrictions servant à éviter l'écoulement du fluide réactant à contre-cou- rant du (ou des) fluide(s) vecteur(s) et/ou à éviter son re- tour vers sa source, et à régler son débit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce système de tubes est composé d'une part d'un tube principal dont une extrémité débouche dans le réacteur et dont l'autre extrémité débouche sur une sortie, et d'autre part de trois tubes secondaires dits premier, deuxième et troisième tubes secondaires, en ce que le tube principal comporte quatre restrictions entre lesquelles débouchent respectivement les trois tubes secondaires, le premier débouchant le plus près du réacteur, et en ce que le premier et le troisième tube secon- daires servent à transporter le (ou les) fluide(s) vecteur(s) avec les débits respectifs D1 et D3, alors que le deuxième tu- be secondaire sert à transporter le fluide réactant avec le débit D2, de telle manibre que ce dispositif 2 a) est équivalent à une vanne fermée pour le flui- de réactant lorsque D1 = D3 exactement, avec D2 fluide réactant vers la sortie lorsque D2 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins un des tubes secondaires est aussi muni de restrictions. 4. - Dispositif selon les revendications 2 ou 3, carac- térisé en ce que les tubes sont réalisés en quartz. 5. Réacteur servant à la réalisation de couches - 11 - PHF 85/542 A14 cristallines par une méthode de croissance épitaxiale en phase vapeur, caractérisé en ce qu'au moins l'un des gaz réactants y est introduit par un dispositif conforme à la revendication 4.