Brevet FR2616614A1 — publié le 19881216

La présente invention concerne une torche à plasma micro-onde ainsi qu'un dispositif et un procéde pour la fabrication de poudre mettant en oeuvre une telle torche. Il est connu de préparer des poudres par réaction de gaz réactifs au sein d'un plasma, ces procédés consaomment cependant en général trop d'énergie. - La présente invention concerne une torche à plasma micro-onde caractérisé en ce qu'elle comporte au moins une conduite d'amenée de gaz; une cavité résonnante formant autour de ladite conduite un manchon ouvert du coté de la sortie de ladite conduite et cportant une ouverture latérale; une structure coaxiale de transition perpendiculaire au manchon cacportant d'une part un tube externe raccordé à l'ouverture latérale du manchon et d'autre part un organe interne dont l'une des extrénités est au contact de ladite conduite et dont l'autre extrémité est au contact de la face interne d'un guide d'onde et porte une pièce de transition disposée dans le guide d'ondes; ledit guide d'onde d'alimentation en énergie micro-ondes à section rectangulaire et perpendiculaire à la structure coaxiale étant pourvue d'une ouverture o est raccordé le tube externe de ladite structure; des moyens d'alimentation en gaz de gainage dans le guide d'onde et/6u la. structure coaxiale et/ou le manchon; éventuellement des moyens d'accord; et éventuellement des toyens d'allumage du plasma. La présente invention sera mieux caxprise au regard des figures annexées sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe latérale d'une torche selon l'invention dans son plan de symétrie; - la figure 2 représente ine vue de face de la torche; - la figure 3 représente une vue de dessus de la torche; - la figure 4 représente une vue en coupe de la fenêtre d'étanchéité au gaz; - la figure 5 représente une vue schématique d'un dispositif selon l'invention. Sur les figures 1,2 et 3 apparait une conduite coaxiale d'amenée de gaz, la conduite intérieure 2 conduisant le gaz actif introduit par l'extrémité 22 reliée à une source de gaz non représentée. Par la conduite transversale 23 reliée à une source de gaz plasmagène non représenté arrive le gaz circulant dans la conduite extérieure 1 en 26166 'i4 matériau conducteur. La conduite coaxiale (1,2) est entourée d'un manchon métallique cylindrique de même axe faisant cavité de resonnance 3 fenrmée du coté de l'arrivée des gaz par une bride 18 annulaire fixée sur le manchon 3 par des vis 19. Cette bride 18 est traversée par et vissée sur la tige creuse et extérieurement filetée d'un piston 9 coulissant dans le manchon 3 et empruntée par la conduite 1. Des joints 25, 25', 26 et 26' toriques assurent l'étanchéité aux gaz. Le manchon 3 comporte une ouverture latérale 4 sur laquelle est fixée perpendiculairement à joint étanche le tube externe métallique 5 de la structure de transition coaxiale. L'organe interne métallique 6 disposée sur l'axe de la structure coaxiale est d'une part au contact de la conduite externe 2, le contact étant réalisé par une pièce de contact amovible et d'autre part au contacct de la face interne de la paroi du guide d'ondes à section rectangulaire 8 opposée à 1 'ouverture 27 circulaire o est raccordée à joint étanche le tube externe 5 de la structure coaxiale. Le guide d'onde 8 est disposé perpendiculairement à la structure coaxiale et à l'axe de la conduite et du manchon 3. L'organe interne 6 est pourvu d'une pièce 7 d'accord non nécessairement fixe. Dans le guide d'onde 8 débouche une canalisation 21 d'amenée de gaz de gainage. La cavité fonTant manchon 3 est prolongée par le manchon autour de la conduite 1 et qui porte une bride 17 de fixation. Sur la figure 2 apparait en outre sur le guide d'onde 8 les portions centrale 24 et les portions latérales 23-23', les doubles brides 12-13 fixées entre les brides 28 et 29 solidaires respectivement des portions 23-23'et 24 du guide d'onde 8. Sur la figure 4 apparait la structure de fenêtres comportant chacune deux brides 12 et 13 rectangulaires méetalliques qui enserrent dans une évidement 15 une fenêtre 11 transparente aux ondes, par exemple en quartz. L'étanchéité en gaz est assurée par des joints 14 en silicone disposés entre la fenêtre 11 et les surfaces en regard de la bride 12 et de l'évidement de la bride 13. La bride 13 ccmporte en outre une gorge et 16 o est disposé un joint rectangulaire métallique qui assure l'étanchéité au gaz de la portion centrale 24 du guide d'onde 8 par contact sur la bride 28. De préférence, les arêtes et les angles vifs sont adoucis pour éviter l'arcage du plasma. 26166'i4 Dans une variante non représentée, la bride 18 n'est traversée en son centre que par la conduite 1 et le piston 9, intérieur au manchon et sans tige creuse, est déplacé dans le manchon par une ou plusieurs tiges traversant la bride 18. Dans une autre variante non représentée, l'introduction de gaz de gainage a lieu dans le manchon 3 ou 10. L'étanchéité au gaz dans la torche peut être assurée par une pièce disposée dans la structure coaxiale par exemple, le fenêtres 12, 13 ne sont alors pas nécessaires. En outre, les moyens d'étanchéité au gaz ne sont pas nécessaires dans certaines applications de ces torches. Est nécessaire par contre, un bon contact Electrique entre toutes les parties conductrices qui guident les micro-ondes. A cet effet, leur jonction parfaitement conductrice entre les parties métalliques jointes par brides peut être assurée par des joints en cuivre ou en indium. Dans une variante non représentée, la coaxialit6 des conduites 1 et 2 est assurée au toyen de picots ou d'un ressort métallique disposé entre les deux conduites. La conduite d'amenée de gaz n'est pas nécessairement coaxiale et peut n'être constituée que d'une conduite. La longueur des conduites 1 et 2 peut-être modifiée en ligne par coulissement le long de l'axe. Ces longueurs et celle du manchon peuvent être en outre modifiées par il'adjonction d'embouts 30,31,32 vissés à leur extrémité et interchangeables. Selon l'application de la torche, ces embouts peuvent être choisis dans un matériau adapté aux produits traités dans la torche, bon conducteurs à point de fusion élevé et de préférence réfractaire pour le manchon et 1 conduite extérieure, éventuellement aussi réfractaire pour la conduite i et non nêcessairement conducteur. De préférence, l'extrémité des conduites 1,2 et du manchon 10 ou des embouts vissés à leur extrémité est arrondie. La présente invention concerne également un dispositif étanche pour la fabrication de poudre qui met en oeuvre une torche selon l'invention et comporte en outre un générateur micro-ondes, une torche à plasma microondes, une enceinte réactionnelle, des oiyens d'alimentation en gaz réactif, en gaz plasmagène et un gaz de gainage, des moyens de 261661'4 séparation de poudre et des gaz, des moyens de collection des poudres, et des moyens d'évacuation des gaz effluents. Outre la cavité de résonnance 43, le manchon 40 et le guide d'onde 48 qui correspondent à la cavité 3, au manchon 10 et au guide d'onde 8 représentés que les-figures précédentes, le dispositif comporte un générateur de micro-ondes 41 relié par des moyens usuels au guide d'onde 48. I1 comporte aussi des canalisations d'amenée de gaz de gainage 42, de gaz réactif 47 et de gaz plasmagène 46. Des moyens d'accord, par exemple des pistons peuvent être prévus sur le guide d'onde. D'autres moyens d'accord usuels sont également envisageables. Le manchon 40 débouche et dépasse de dl dans l'enceinte réactionnelle 53 de longueur L et de diamètre D, dont l'extrémité opposée à une forme de cône d'angle de préférence environ égal à 20 . Selon l'invention, le rapport L/D est compris entre 1,5 et 6, de préférence entre 2 et 4. Pour éviter la contamination des poudres par le matériau de la parroi de l'enceinte, celle-ci peut être électropolie ou équipée d'une doublure en quartz. L'enceinte réactionnelle débouche dans un séparateur de poudre et de gaz constitué d'un filtre cylindrique métallique 50 entouré d'un manchon 49 étanche et relié à une conduite d'évacuation des gaz 52. A la sortie du filtre cylindrique 50 est disposé un collecteur de poudre 51 des vannes et une alimentation 56 de gaz de purge et une conduite de mise sous vide 55 sont en outre prévues pour faciliter le changement de collecteur sans contamination des poudres. D'autres moyens usuels de séparation de poudre et de gaz sont envisageables. Le dispositif d'allumage 54 permet d'allumer le plasma par contact électrique avec la conduite de gaz. Le moyens d'allumage du plasma ne sont pas nécessairement choisi tels que représentés. Ils peuvent être constitués par tout moyen d'allumage usuel au niveau de l'extrémité de la conduite, par tout moyen extérieur compaptible avec la structure de l'enceinte. Il peut être en particulier réalisé au moyen d'un fil métallique introduit dans la conduite 2 et amovible ou non une fois le plasma allumé. Dans un autre mode de réalisation non représenté, le gaz de gainage peut être introduit-au ni-veau du manchon 40 ou de la cavité 43 ou du coaxial (qui n'apparait pas sur la figure 5) et le gaz plasmagène par l'organe interne de la transition coaxiale qui débouche dans ce cas dans la conduite externe 2 Dour v conduire le 2az DlasmaRéne. 26166'14 Dans un autre mode de réalisation, on peut prévoir d'autres modes usuels de récupération des poudres et des gaz à la sortie de l'enceinte réactionnelle. Les gaz résiduels peuvent être séparés, détruits pour certains toxiques et recyclés pour d'autres (plasiagène, de gainage). Dans un autre mode de fonctionnement, la torche dans lesquels les gaz dans la configuration représenté ici circulent du haut vers le bas, peut être orientée de façon différente, par exemple orientée du bas vers le haut. Le dispositif selon l'invention s'applique notamment à la synthèse de poudre, c'est pourquoi la présente invention concerne également un procédé pour la préparation de poudre caractérisé en ce que l'on utilise un dispositif selon l'invention et en ce que le gaz réactif est choisi parmi les silanes, l'ammoniac, les hydrures de bore, les halogènures de tungstène et de titane, l'oxygène et les organo métalliques gazeux et leurs mélanges. Le procédé selon l'invention s'applique en particulier à la préparation de poudre à base de silicium, à savoir poudre de silicium, de silice, de carbure et nitrure de silicium. Le gaz réactif est alors selon l'invention choisi parmi les silanes et polysilanes, halogeno silanes, alkylsilanes et leur mélange ' l'oxygène et à 1'ammoniac. Le gaz de gainage circule in fine, o que soit la conduite d'alimantation, entre le manchon et la conduite externe 2. On peut utiliser tout gaz de gainage usuel, et en particulier des gaz inertes come l'azote, ou l'hydrogène par exemple. Le gaz plasnagène utilisé est un gaz plasmagène classique, en particulier l'argon. Il est injecté et circule dans la conduite extérieure. Le gaz actif circule dans la conduite interne ou dans la conduite unique quand ce mode de réalisation est utilisé. Dans ce cas, du gaz plasmagène peut être injecté à l'allumage puis remplacé par ou mélangé à du gaz actif. Selon l'invention, la ression d'utilisation est de l'ordre de la pression atmosphérique ou supérieur à celle-ci, jusqu'à 5 atmosphère environ. Par micro-onde, on entend la bande allant d'environ 400 à 12000 lEz. Exemple 1. La demanderesse a mis en oeuvre l'invention dans les conditions suivantes: - - L/D = 2,5; D1 compris entre D/4 et 3 D/4, de préférence 0,4 D. - D/d1 = curpris entre 40 et 150, de préférence 100. - d = 2 mnm (diamètre interne de la conduite 1) -d2=4z m( " externe " " 1) - d3 = 7,5 mm (interne 2) d3=7,Snxn ( " interne " " 2) - d4 = 12 mm ( n externe n n 2) - d5 = 27 mn ( " interne du manchon 10) - d6 = 33m ( " externe du manchon 10) - la conduite 1 a un embout en quartz - la conduite 2 a un embout en tungstène - le manchon 10 a un embout en laiton - le réacteur est en inox 316 L (la température de référence interne est 440 C). - gaz réactif: SiH4 71/mn - gaz plasmagène: Ar 31/rmn - gaz de gainage: N2 111/mn - puissance P-onde 2,5 Kw - production = 490 g/h de poudre de silicium soit un rendement énergétique de 5,15 Kwh/kg de poudre et 7,90 KWh électrique/kg de poudre (conversion 100%, rendement du géenérateur 66%). On a étiré un monocristal à partir des poudres obtenues ainsi. L'analyse du monocristal a révélé 7 1017 atcre/cman3 d'oxygène et 10 1017 atame/cM3 de carbone. Exemple 2 Avec le mMme réacteur et les débits suivants: SiH4 9,5 1/mn Ar 3 1/mn N2 14 1/mn pour une puissance de 3,125 KW, on a obtenu 665 g/h de poudre de silicium soit un rendement de 4,69 KEh w-onde/kg poudre et 7,20 KW/h électrique /kg poudre (conversion 100%) 261661 4 Exarple 3. Avec le nmme réacteur (et d5 = 25 mrm) et les débits suivants: Sil4: 12 1/mn Ar: 2,51/mn N2:12 1/mn pour un puissance de 3,2 KW, on a obtenu 840 g/h de poudre de silicium, soit un rendement de 3,81 KWh/kg de poudre et 5,86 KWh électrique/kg poudre (conversion 98,3 %). Les diamètres d1 à d6 sont définis sur la figure 1. 26166'1 REVEIICATIONS 1.- Torche à plasma micro-onde, caractérisée en ce qu'elle conporte au moins une conduite d'amenée de gaz (1,2); une cavité résonnante (3) formant autour de ladite conduite un manchon ouvert du coté de la sortie de ladite conduite et cmportant une ouverture latérale (4); une structure coaxiale de transition perpendiculaire au manchon comportant d'une part un tube externe (5) raccordé à l'ouverture latérale (4) du manchon et d'autre part un organe interne (6) dont l'une des extremités (20) est au contact de ladite conduite et dont l'autre extrémité est au contact de la face externe d'un guide d'onde (8) et porte une pièce de transition (7) disposée dans le guide d'ondes (8); ledit guide d'onde (8) d'alinentation en énergie micro-ondes à section rectangulaire et perpendiculaire à la structure coaxiale (5,6) étant pourvu d'une ouverture (27) o est raccordé le tube externe (5) de la dite structure; des moyens d'alimentation en gaz de gainage dans le guide d'onde (8) et/ou la structure coaxiale (5,6) et/ou le manchon; éventuellement des moyens d'accord; et éventuellement des moyens d'allumage du plasma. 2.- Torche à plasma selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube externe (5) est raccordé de façon étanche à l'ouverture latérale (4) et/ou au guide d'onde (8). 3.- Torche à plasma selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le guide d'onde (8) est relié à une source (21) de gaz de gainage et est muni de part et d'autre de la pièce de transition (7) de moyens d'étanchéité au gaz. 4.- Torche selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité (11,12,13) au gaz sont conducteurs et comportent au moins une fenêtre rectangulaire (11) en matériau transparent aux micro-ondes, deux brides rectangulaires (12,13) enserrant la fenêtre, des moyens d'étanchéité au gaz (14,15) entre la fenêtre et les brides, et des moyens d'étanchéité (16) au gaz entre la bride (13) située en regard de la portion (24) du guide d'onde étanche au gaz et ladite bride. 5.- Torche à plasma selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le manchon (3) est relié à une source de gaz de gainage et la structure coaxiale (5,6) est muni de moyens d'étanchéité au gaz. 6.- Torche selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'extrémité fermée du manchon est une bride annulaire traversée 9 261661L à joint étanche par des moyens de réglage d'un piston annulaire (9), la bride et le piston étant traversés par la conduite d'amenée de gaz (1,2). 7.- Torche selon l'une des revendication 1 à 6, caractérisée en ce que la conduite d'amenée (1,2) de gaz est coaxiale. 8.- Torche selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les longueurs de la conduite d'amenée de gaz et de la sortie du manchon sont réglables. 9.- Torche selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'extrénité (30,31,32) de la conduite d'amenée de gaz et de la sortie du manchon sont arrondies. 10.- Torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la pièce de transition (7) est réglable. 11.- Torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la conduite d'arrivée est coaxiale, la conduite intérieure étant constitué au moins en partie d'un matériau réfractaire. 12.- Dispositif étanche à plasma micro-onde pour la fabrication de poudre, du type comportant un générateur micro-ondes (41), une torche à plasma micro-ondes (40,43,48), une enceinte réactionnelle (53), des moyens d'alimantation en gaz réactif (46), en gaz plasmagène (47) et un gaz de gainage (42), des moyens de séparation de poudre et des gaz, des moyens de collection des poudres (51), et des moyens d'évacuation des gaz effluents (52), caractérisé en ce que la torche à plasma est réalisée selon l'une des revendications 1 à 10. 13.- Dispositif étanche selon ia revendication 12, caractérisé en ce que le rapport de la longueur et du diamètre de l'enceinte réactionnelle est compris entre 1,5 et 6, de préférence 2 et 4. 14.- Procédé de préparation de poudre, caractérisé en ce que l'on utilise un dispositif selon l'une des revendications 1 à 13 et en ce que le gaz réactif est choisi panrmi les silanes, l'amnniac, les hydrures de bore, les halogènes de Tungstène et de Titane, l'oxygène et les organo mntalliques gazeux et leurs mélanges. 15.- Procédé de préparation de poudre, selon la revendication 14, caractérisé en ce que la pression d'utilisation est supérieure ou égale à la pression atmosphérique.