Brevet FR2664684A1 — publié le 19920117

DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA TEMPERATURE D'UNE PIECE PAR CONTACTS MULTIPLES La présente invention concerne le domaine technique du contrôle de la température et, en particulier, du refroidissement d'une pièce de nature et de forme diverses, soumise à un flux d'énergie, tel que des faisceaux de particules (photons, ions, électrons par exemple) ou un plasma. L'invention trouve des applications particulièrement avantageuses pour assurer un traitement, au sens général, tel que le dépôt, la gravure ou l'implantation ionique sur des pièces de natures diverses, telles que celles constituées à base de silicium, et destinées à former, par exemple, des composants de micro-électronique ou des écrans plats ou celles en matière plastique devant être revêtues d'une couche de protection ou traitées en vue de présenter des propriétés particulières, notamment de réflexion optique. Dans le domaine de la micro-électronique, l'art antérieur a proposé un certain nombre de solutions pour refroidir une pièce soumise à un flux d'énergie sur L'une de ses faces, en vue d'assurer, par exemple, un traitement, tel qu'une implantation ionique ou une gravure plasma. Une première solution connue consiste à mettre en contact la face opposée de La face soumise au flux d'énergie avec un gaz refroidi. Une telle technique nécessite de prévoir une étanchéité entre les deux faces de La pièce, de manière à éviter la dégradation du vide régnant du côté de la face de traitement . En pratique, il apparaît difficile d'obtenir une étanchéité satisfaisante pour des pièces présentant des surfaces non parfaitement planes et/ou de grandes dimensions et à des températures basses (jusqu'à - 2000 C) qui sont habituellement utilisées pour de tels traitements. Pour remédier à ce problème d'étanchéité, l'art antérieur a proposé de remplacer le gaz refroidi par un fluide liquide à basse pression de vapeur saturante qui améliore le contact thermique entre la pièce et le support de pièce, de sorte qu'il n'apparaît plus nécessaire de prévoir des moyens d'étanchéité. Une telle solution technique présente, toutefois, des inconvénients au niveau du nettoyage de telles pièces, lorsqu'elles se trouvent dans une ligne de production industrielle. Par ailleurs, un tel procédé technique ne peut plus être mis en oeuvre à des basses températures, en raison de la solidification du fluide de refroidissement. Une autre solution, connue de L'état de la technique, consiste à mettre en oeuvre un fluide artificiel constitué, généralement, de billes destinées à être mises en contact avec la face opposée de celle de la pièce recevant Le flux d'énergie. Une telle solution permet de remédier aux problèmes de L'étanchéité aux basses températures. Cependant, cette technique présente des inconvénients au niveau de la qualité du refroidissement, dans la mesure où les échanges thermiques, par conduction ou par convexion, sont plus difficiles à assurer, puisque la conduction a lieu par les points de contact entre les billes et la convexion nécessite le transport des billes. En outre, il s'avère que cette technique est difficile à mettre en oeuvre dans une ligne de production industrielle, dans la mesure où elle nécessite, pour le traitement de chaque pièce, un déchargement et un chargement de l'ensemble des billes. L'état de la technique a proposé une autre solution, développée, en particulier, dans le cadre du traitement de films polymères et, plus généralement, de films souples, tels que des feuilles métalliques minces par exemple. Cette solution consiste à assurer le défilement du film mince sur un cylindre refroidi dans la zone d'exposition au plasma. Si cette solution permet d'obtenir un refroidissement convenable, il convient de constater qu'un tel procédé ne se trouve nullement adapté au traitement d'une pièce rigide de forme quelconque. Il convient donc de constater que L'état de la technique ne propose aucune solution industrielle permettant de maintenir, à une température donnée, des pièces de natures et de formes diversifiées soumises à un flux d'énergie. La présente invention vise donc à résoudre ce problème en proposant un dispositif de contrôle de La température adapté pour transférer les calories d'une pièce de forme et de nature diverses soumise à un flux d'énergie. L'objet de L'invention vise, également, à proposer un dispositif de contrôle conçu pour assurer sa fonction, même dans le cas où la pièce subit des déformations localisées, en raison des variations de température qu'elle subit. L'objet de L'invention vise aussi à proposer un dispositif assurant le contrôle de La température d'une pièce soumise à un flux d'énergie dirigé de haut en bas ou de bas en haut L'objet de L'invention vise, encore, à offrir un dispositif particuLièrement adapté pour contrôler la température d'une pièce soumise à un flux d'énergie dont la mise en oeuvre est effectuée sous vide ou sous basse-pression. Pour atteindre les buts énoncés ci-dessus, le dispositif de contrôle selon L'invention, adapté pour transférer les calories d'une pièce soumise à un flux d'énergie, est caractérisé en ce qu'iL comporte : - une série d'éléments de contact ponctuel, mobiles axialement, en contact permanent chacun, par L'une de ses extrémités, avec la pièce pour assurer un transfert des calories, d'une part, par un contact thermique entre la pièce et les éléments de contact ponctuel et, d'autre part, par une conduction et un rayonnement thermiques tout le long de leur surface, - des moyens d'application d'une sollicitation axiale sur chacun des éléments de contact pour les maintenir en contact permanent avec la pièce, - et des moyens de support et de guidage axial de chacun des éléments de contact. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de L'invention. La fig.l est une vue schématique en coupe-élévation montrant une variante de réalisation du dispositif de contrôle selon L'invention. La fig. 2 est une vue, analogue à la fig. 1, montrant une autre variante de réalisation de L'objet de L'invention. La fig. 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation particulier d'une partie de L'invention. La fig. 4 est une coupe transversale montrant un détail caractéristique de L'invention. La fig. 5 est une coupe-élévation montrant une autre variante de réalisation du dispositif conforme à L'invention. La fig. 6 est une coupe transversale d'une autre variante de réalisation de L'invention. La fig. 1 illustre une première variante de réalisation d'un dispositif de contrôle de la température conforme à L'invention, permettant de transférer les calories d'une pièce 1, au sens général, soumise à un flux d'énergie E, tel qu'un faisceau de particules ou un plasma, à une source 2 froide ou thermostatée. Il doit être considéré que le dispositif selon L'invention permet, soit le transfert des calories entre la pièce 1 et une source 2 à caractère thermostaté, soit L'évacuation des calories de la pièce 1 vers une source froide 2. La pièce 1 constitue, dans l'exemple illustré, une plaquette possédant une face 11 orientée vers le bas et recevant le flux d'énergie. La pièce 1 est supportée par des moyens adaptés, tel qu'un cadre périphérique, non représentés mais connus en soi. Selon L'invention, le dispositif de contrôle comporte une série d'éléments de contact ponctuel 3, tels que des aiguilles, tubes ou tiges, conçus pour être en contact permanent avec la pièce, de manière à assurer un transfert des calories, d'une part, par un contact thermique entre la pièce 1 et Les éléments de contact et, d'autre part, par une conduction et un rayonnement thermiques tout le long de Leur surface. Chaque élément de contact 3 est mobile axialement, de manière à rester continuellement en appui sur la surface de la pièce, même si cette surface ne reste pas plane, en raison, en particulier, des contraintes engendrées par les variations de températures. Le maintien des éléments 3 en contact permanent avec la surface de La pièce permet d'assurer leur fonction de tranfert ou d'évacuation des calories. A cet effet, les éléments 3, qui sont constitués ou revêtus, au moins partiellement, par un matériau présentant un pouvoir élevé de conduction thermique, tel que les métaux, sont positionnés sur la pièce, dans une zone accessible et soumise aux variations et, plus particulièrement, aux élévations de température.Dans l'exemple illustré, les éléments 3 sont en contact avec La face 12 opposée à la face recevant le flux d'énergie et sont pourvus chacun d'une partie termina le 31 présentant une surface de contact ou d'appui, par exemple plane, conçue pour offrir un contact adapté entre la pièce et les éléments. Les éléments 3 présentent chacun une surface d'appui ou de contact limitée, en raison des déformations de surface susceptibles d'apparaître, mais suffisante pour assurer un transfert thermique maximal par contact. A titre d'exemple, tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 3, chaque élément 3 peut être pourvu d'une partie termina le constituée par un embout déformable monté par tous moyens convenables sur l'élément. Une autre caractéristique des éléments de contact 3 réside dans leur forme généra le allongée, permettant d'assurer le transfert thermique des calories par une conduction et un rayonnement thermiques tout le long de leur surface. Chaque élément de contact 3, qui est mobile axialement, est supporté et guidé en déplacement axial par l'intermédiaire d'un moyen 5 adapté. Chaque moyen 5 de support et de guidage peut être constitué, comme illustré à la fig. 1, par un tube entourant partiellement un élément 3 associé. Outre leur fonction de support et de guidage, les tubes 5 sont conçus pour assurer une fonction de transfert ou d'évacuation, par conduction, des calories échangées avec les éléments 3, par l'intermédiaire d'au moins deux paliers 51 5 de guidage de l'élément en coulissement . De plus, les tubes 5 assurent Le tranfert, par rayonnement, des calories échangées avec les éléments 3, dans la mesure ou ces tubes forment des surfaces d'échanges s'étendant en relation de proximité le long de la majeure partie des éléments 3.Avantageusement, Les tubes 5 sont montés, par leur extrémité la plus éloignée de la pièce, en contact avec la source 2 permettant, au moins par conduction thermique, de refroidir Les tubes ou un transfert de calories. Les tubes sont montés par tous moyens connus sur cette source, tels que par brasure, soudure, assemblage, filetage ou collage . Chaque élément de contact 3 est associé à un moyen 7 adapté pour lui appliquer une sollicitation axiale, de manière à maintenir les éléments 3 en contact permanent avec la surface de la pièce 1. Dans L'exempLe illustré à la fig. 1, les moyens 7 d'application d'une sollicitation axiale sont constitués par la pesanteur s'exerçant naturellement sur les éléments qui se trouvent limités en déplacement descendant par une butée 8 présentée par le tube et formée par une déformation localisée. Dans l'exemple illustré à la fig. 2, chaque moyen 7 est constitué par un ressort logé à l'intérieur d'un tube 5 et monté pour exercer un effort, entre le fond du tube et l'extrémité 32 de la tige, opposée de celle 31 en contact avec la pièce.IL est à noter que l'utilisation de ressorts permet d'effectuer un traitement d'une pièce dont la surface, soumise au flux d'énergie, est dirigée vers le haut. Bien entendu, il peut être envisagé des moyens d'application 7 de nature différente pour exercer une telle fonction, tels que ceux mettant en oeuvre une force magnétique ou électrique par exemple. Le dispositif de contrôle décrit ci-dessus assure donc le transfert des calories reçues par une pièce vers une source 2. Ce transfert s'effectue, avantageusement, par un contact thermique permanent entre la pièce 1 et les éléments 3, par une conduction et un rayonnement thermique le long des éléments 3 dont les calories se trouvent échangées avec les tubes 5 qui assurent leur transfert, essentiellement par conduction et par rayonnement, jusqu'à la source 2. Le dispositif de contrôle selon L'invention peut donc assurer une évacuation des calories reçues par une pièce vers une source froide. Le dispositif selon L'invention offre aussi la possibilité de maintenir la pièce à une température constante à partir d'une source thermostatée. Le dispositif de contrôle comporte des éléments 3 en nombre adapté pour assurer une surface de contact totale avec la pièce, la plus grande possible, de manière à assurer un préLèvement optimum des calories. A titre d'exemple, il peut être prévu de mettre en oeuvre environ une centaine d'éléments de contact 3 par centimètre carré. Chaque élément 3 présente, par exemple, un diamètre extérieur de L'ordre du millimètre et une longueur de 100 mm. Le dispositif selon L'invention permet donc le transfert des calories fournies à une pièce, tout en offrant L'avantage de pouvoir être mis en oeuvre aisément de manière industrielle, dans la mesure où il suffit d'amener en contact les éléments 3 avec la pièce à traiter. Un autre avantage du dispositif selon L'invention concerne sa faculté de pouvoir transférer des flux thermiques importants même à basse température. De plus, il apparaît possible, par ce dispositif, de contrôler une gamme étendue de températures pouvant même descendre en-dessous de 770 Kelvin. Par ailleurs, il doit être noté que le dispositif selon L'invention permet d'obtenir une température uniforme au niveau de la pièce, même pour des pièces de grandes dimensions pouvant atteindre, par exemple, 1 ou 2 mètres de côté. Toutefois, il doit être considéré qu'il est possible d'utiliser des pièces de taille inférieure à la surface totale constituée par les éléments de contact. Par ailleurs, un tel dispositif, qui ne pose pas de problèmes d'étanchéité, offre L'avantage de pouvoir contrôler la température de pièces non planes. Une caractéristique avantageuse offerte par un tel dispositif vise la possibilité de polariser la pièce (de manière continue, basse fréquence ou radio-fréquence) dans Le cas de réalisation des éléments de contact 3 et des tubes 5 selon un matériau conducteur de l'électricité. Un tel dispositif est particulièrement adapté pour le contrôle de la température d'une pièce, lors d'un traitement nécessitant une pression réduite, tel qu'un traitement plasma. Ce dispositif peut assurer, également, par exemple, le traitement plasma des écrans plats ou de pièces de microélectronique, le refroidissement de pièces rigides non planes en matière plastique, le traitement sous vide ou sous pression partielle (traitement sous flux de photons, etc...) ou le chauffage uniforme de pièces. La fig. 3 illustre une variante de réalisation dans laquelle chaque élément 3 est constitué sous la forme d'un tube à chaleur ou "caloduc" contenant un fluide caloporteur L. Une telle variante de réalisation permet d'augmenter les transferts des calories entre la pièce 1 et la source 2. Bien entendu, il pourrait être envisagé une solution analogue pour des tubes 5 concentriques. La fig. 4 illustre une autre variante de réalisation permettant d'augmenter Le transfert des calories par rayonnement entre les éléments de contact 3 et les tubes 5. Selon cette variante, les éléments 3 et/ou les tubes 5 sont pourvus de surfaces d'échanges additionnelles 10 formées, par exemple, par des ai Lettes s'étendant radialement tout le long de la surface des tubes 5 et/ou des éléments de contact 3 IL est à noter que l'utilisation d'ailettes, qui viennent en contact avec le tube 5 ou L'élément 3, permet d'augmenter les contacts thermiques. Dans le même sens, le tranfert par rayonnement peut être augmenté, en accroissant les coefficients d'absorption des surfaces en vis-à-vis et/ou en mettant en oeuvre des revêtements absorbants ou des surfaces dépolies. La fiv. 5 illustre une autre variante de réalisation de L'invention dans laquelle des éléments échangeurs 12 sont répartis régulièrement entre les tubes 5. Les éléments échangeurs 12, qui se présentent sous la forme d'aiguille, de tige ou de tube, s'détendent en relation des tubes 5 et se trouvent montés, de préférence, directement sur la source 2, froide ou thermostatée, tet que ce lui représenté en 121. De préférence, les éléments échangeurs sont constitués chacun sous la forme d'un tube 122 à chaleur ou "caloduc" contenant un fluide caloporteur L. Avantageusement, les éléments échangeurs sont formés par un tube 123 destiné à être associés à un circuit 13 de circulation d'un fluide relié directement à la source 2 qui contient une réserve de fluide réfrigéré ou thermostaté R. Selon une caractéristique avantageuse, les tubes 5 peuvent être en conduction thermique les uns par rapport aux autres, soit en étant accolés les uns aux autres, comme illustré sur la fig. 5 ou soit par l'intermédiaire d'un matériau de remplissage placé entre les tubes et présentant un haut pouvoir de conduction thermique. Il peut être envisagé, également, d'associer les éléments échangeurs 12 par paires pour former un circuit aller et retour d'un fluide réfrigéré ou thermostaté. La fig. 6 illustre une autre variante de réalisation particulièrement adaptée pour des pièces de petites dimensions. A cet effet, les tubes 5 sont accolés les uns aux autres pour constituer un faisceau entouré par une enveloppe thermostatée ou refroidie 13 permettant de contrôler la température des tubes 5 par conduction thermique, à partir de la périphérie du faisceau. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Dispositif de contrôle de la température adapté pour transférer les calories d'une pièce (1) soumise, sur L'une au moins de ses faces (11), à un flux d'énergie (E), caractérisé en ce qu'il comporte - une série d'éléments de contact ponctuel (3), mobiles axialement, en contact permanent chacun, par L'une de ses extrémités, avec la pièce pour assurer un transfert des calories, d'une part, par un contact thermique entre la pièce et les éléments de contact ponctuel et, d'autre part, par une conduction et un rayonnement thermiques tout le long de leur surface, - des moyens (7) d'application d'une sollicitation axiale sur chacun des éléments de contact pour les maintenir en contact permanent avec la pièce, - et des moyens (5) de support et de guidage axial de chacun des éléments de contact. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments (3) sont en contact permanent avec la face opposée (1z) de celle soumise au flux d'énergie. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (5) de support et de guidage assurent aussi une fonction de transfert, par conduction, des calories échangées avec les éléments de contact. 4 - Dispositif selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que les moyens (5) de support et de guidage assurent le transfert, par rayonnement, des calories échangées avec Les éléments de contact. 5 - Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens (5) de support et de guidage sont constitués par des tubes associés chacun à un élément de contact et formant une surface d'échange thermique s'étendant, au moins partiellement, en relation d'un élément de contact correspondant. 6 - Dispositif selon la revendication 1 ou 5, caractérisé en ce que les tubes (5) et/ou les éléments de contact (3) sont pourvus de surfaces (10) d'échanges thermiques additionnelles. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes (5) se trouvent en conduction thermique les uns par rapport aux autres 8 - Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les tubes (5) sont raccordés à une source de polarisation de la pièce. 9 - Dispositif selon la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que au moins certains des éléments de contact (3) sont pourvus chacun, à leur extrémité en contact avec la pièce, d'un embout déformable (31) augmentant la surface de contact thermique effective avec la pièce. 10 - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que des éléments échangeurs (12) sont répartis régulièrement entre les éléments de contact (3). 11 - Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'au moins certains des tubes (5) sont montés, selon leur extrémité la plus éloignée de la pièce, en contact avec une source (2) de refroidissement ou thermostatée permettant de contrôler la température des tubes par conduction thermique. 12 - Dispositif selon les revendications 5 et 10, caractérisé en ce que les éléments échangeurs (12) et au moins certains des éléments de contact (3) et/ou certains des tubes (5) sont adaptés pour être associés à un circuit de circulation d'un fluide. 13 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque circuit de circulation d'un fluide, associé à un élément échangeur (12), à un tube ou à un élément de contact, est reLié à une source (2) froide ou thermostatée. 14 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les circuits de circulation d'un fluide, associés aux éléments échangeurs, sont associés par paire pour former un circuit aller et retour de fluide. 15 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes (5) sont accolés pour former un faisceau entouré par une enveloppe refroidie ou thermostatée (13) permettant de contrôler La température les tubes par conduction thermique à partir de la périphérie.