Brevet FR2686967A1 — publié le 19930806

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN FOUR DE TRAITEMENT D'UN ELEMENT ET FOUR EQUIPE D'UN TEL DISPOSITIF DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un four de traitement d'un élément ainsi qu'un four équipé d'un tel dispositif. Le dispositif de refroidissement selon l'invention trouve une application dans tous les fours où l'on souhaite chauffer un élément par le biais d'une source lumineuse émettant entre le visible et L'infrarouge, cet élément étant contenu dans une enceinte dont on veut garder les parois froides. Les éléments à traiter sont généralement des plaquettes de silicium et les fours permettent un recuit rapide de ces équipements de microélectronique. La figure 1 jointe est un schéma illustrant les principaux éléments d'un tel four de l'art antérieur. Ce four 1 comprend une chambre de réaction 3 dans laquelle est placé l'élément 5 à traiter, c'est-à-dire généralement une plaquette en matériau semiconducteur. Le four 1 comprend également des moyens de chauffage 7 constitués par un réflecteur 9 à l'intérieur duquel sont placées des lampes Il, par exemple des lampes à filament de tungstène, dont le rayonnement s'étend du visible à l'infrarouge. Le four comprend également un hublot 13 séparant la chambre de réaction 3 des moyens de chauffage 7. Lors du traitement de l'échantillon 5, ce hublot 13 est chauffé par le rayonnement des lampes 11 qui le traverse. Le rayonnement infrarouge réémis par l'échantillon 5 chauffé, est absorbé par le hublot 13, réalisé généralement en quartz. La longueur d'onde de l'énergie réémise par l'élément 5 peut être calculée en assimilant celui-ci à un corps noir. L'énergie ainsi rayonnée présente alors un maximum d'intensité à une longueur d'onde > égale à 2898/T, avec T représentant la température de l'élément 5 en degrés Kelvin et ss la longueur d'onde en microns. Pour les températures T de l'élément 5 généralement utilisées, la longueur d'onde de réémission se situe dans le spectre d'absorption du quartz, occasionnant ainsi l'échauffement du hublot 13.Cet échauffement n'est alors limité que par les échanges du hublot 13 avec l'extérieur, ces échanges étant réalisés par convection, par conduction ou par rayon nement - Si la température du hublot 13 augmente, celui-ci peut constituer une source de chaleur non contrôlée entraînant des dépôts opacifiants sur le hublot ou des réactions physico-chimiques indésirables sur l'élément 5 à traiter. En conséquence, des techniques de l'art antérieur ont proposé d'ajouter au premier hublot 13, un second hublot 14 disposé sensiblement parallèlement au premier et espacé légèrement de celui-ci. Cet ensemble de deux hublots 13 et 14 constitue le dispositif de refroidissement du four, référencé de manière générale 15. L'intervalle entre les deux hublots 13, 14 définit un canal 17 pour le passage d'un liquide de refroidissement 19. Ce liquide de refroidissement 19 circule à l'extérieur du four dans une canalisation 21 sur laquelle est prévue une pompe 23 et éventuel lement un échangeur de chaleur 25. On peut utiliser par exemple comme fluide de refroidissement 17, de L'air circulant à grande vitesse entre les deux hublots 13 et 14. Le refroidissement est excellent mais les pressions engendrées par cette circulation d'air ne peuvent pas être supportée par les hublots de quartz 13 et 14 dès lors que les dimensions de ces hublots deviennent trop importantes. On peut également utiliser de l'eau circulant en nappe comme cela est décrit par exemple dans le brevet US 4,550,684. Toutefois, cette circulation d'eau présente un certain nombre d'inconvénients. La circulation d'eau doit être uniforme et sans bulles, de façon à assurer un refroidissement homogène et correct. En outre, la présence des bulles même de petites dimensions, modifie la transmission du faisceau lumineux émis par les lampes 11 et peut affecter l'uniformité du traitement recherché sur la surface de l'élément 5. L'eau doit donc être filtrée et exempte d'air, de sels minéraux dissous ou de microorganismes qui risqueraient de se déposer à la surface des hublots et d'opacifier ceux-ci. En conséquence, on utilise généralement de l'eau désionisée à laquelle on ajoute un agent mouillant. Toutefois, ceci n'est pas suffisant pour supprimer totalement les difficultés rencontrées dans ce type de dispositif de refroidissement.En effet, l'inconvénient majeur de l'utilisation de l'eau est que pour une longueur d'onde émise par les lampes infrarouges supérieure à 1,2 um, le film d'eau n'est plus transparent et absorbe L'énergie émise par les lampes. Il en résulte d'une part une diminution de la quantité d'énergie lumineuse (des Lampes 11) transmise par le système de hublots 13, 14 et d'autre part, un chauffage direct du fluide de refroidissement 19. On a pu constater que l'énergie ainsi absorbée inutilement par L'eau représentait jusqu'à 60% de l'énergie émise par les lampes à filament de tungstène. En conséquence, l'invention a pour but de remédier aux inconvénients précédemment cités et notamment d'améliorer le rendement d'un four à lampes en modifiant la nature du liquide utilisé dans le dispositif de refroidissement 15. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un four de traitement d'un élément, comprenant un assemblage d'au moins deux hublots sensiblement parallèles disposés entre la chambre de réaction du four destinée à contenir ledit élément et les moyens de chauffage dudit four, ces moyens de chauffage comprenant des lampes à infrarouge et ces deux hublots étant réalisés dans un matériau destiné à laisser passer le rayonnement lumineux desdites lampes vers l'intérieur de ladite chambre de réaction et étant espacés l'un de l'autre de façon à définir entre eux un canal pour le passage d'un liquide de refroidissement circulant. Selon les caractéristiques de l'invention, le liquide de refroidissement est un liquide caloporteur, transparent aux rayonnements compris entre 0,4 et 4 pm environ et permettant d'évacuer L'énergie reçue par les hublots lors du rayonnement de l'élément chauffé. Grâce à ces caractéristiques de l'invention, le liquide de refroidissement n'absorbe pas le rayonnement émis par les moyens de chauffage entre 0,4 et 4 pm et peut évacuer L'énergie reçue par le hublot par rayonnement de l'élément à traiter. En conséquence, on améliore l'efficacité du dispositif de refroidissement en augmentant la durée de vie des lampes et en améliorant la fiabilité du four par diminution des contraintes thermiques. De façon avantageuse, le liquide de refroidis sement est choisi parmi les composés à chaîne carbonée saturée par des halogènes ou les composés à chaine carbonée et oxygènée saturée par des halogènes. De préférence, ces halogènes sont choisis parmi le fluor et le chlore. Le rayonnement lumineux des moyens de chauffage s'étend du visible au proche infrarouge soit dans une gamme comprise environ entre 0,4 et 4 pm. En conséquence, il est important que le liquide de refroidissement n'absorbe pas les ondes dans cette zone de longueur d'onde. Or, la présence de groupements OH dans un composé est à proscrire car ce groupement absorbe les longueurs d'onde aux alentours de 1,2 fm. De même, les groupements CH absorbent les longueurs d'onde entre 3 et 3,5 pm. En conséquence, on a déterminé qu'un composé n'absorbant pas la longueur d'onde dans la fenêtre comprise entre 0,4 et 4 devait être constitué uniquement d'une chaîne carbonée saturée par des halogènes tels que le fluore ou le chlore ou d'une chaîne carbonée présentant des liaisons oxygène et saturée également par ces mêmes halogènes. Dans la mesure où les hublots du dispositif de refroidissement sont généralement réalisés en quartz, et que la gamme de transparence du quartz est située entre 0 et 2,6 Wum, il est suffisant que le liquide de refroidissement soit transparent aux radiations comprises entre 0,4 et 2,5 pm environ. De façon avantageuse, le liquide de refroidissement est choisi parmi les perfluoropolyéthers de formule où n est un nombre dont la valeur moyenne est de 19 et où le rapport n/m est égal à 1000 ou parmi les polymères de faible poids moléculaire du trifluoromonochloroéthylène de formule Cl-(CF2-CFCl)n~Cl où n est un nombre entier compris entre 3 et 6. Ces produits répondent aux exigences de transparence, de sécurité et de qualités caloportrices. En effet, ces produits sont tout à fait stables chimiquement et sont donc inoffensifs et non agressifs pour le matériel utilisé. En outre, ils présentent l'avantage d'être peu coûteux. Enfin, l'invention concerne également un four de chauffage d'un élément à traiter comprenant une chambre de réaction dans laquelle est placé ledit élément, des moyens de chauffage constitués par des lampes dont le rayonnement s'étend du visible à l'infrarouge et un dispositif de refroidissement tel que celui qui vient d'être décrit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivant d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints, dans lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant un four muni d'un dispositif de refroidissement, - la figure 2 est un graphique illustrant le pourcentage d'absorption par le liquide de refroidissement, de l'énergie transmise par les lampes du four, en fonction de la longueur d'onde à laquelle émettent ces lampes, pour de l'eau et pour l'un des liquides de refroidissement selon l'invention, et - la figure 3 est un graphique illustrant selon une échelle logarithmique, la puissance absorbée, respectivement par un dispositif de refroidissement comprenant un seul hublot en quartz, par un dispositif comprenant deux hublots en quartz entre lesquels circule de l'eau et par un dispositif de refroidissement conforme à celui de l'invention, en fonction de la température de l'élément chauffé. Le dispositif de refroidissement selon I' inven- tion comprend une structure similaire à ce qui a été décrit précédemment en liaison avec la figure 1. En d'autres termes, il comprend de préférence deux hublots 13, 14 réalisés généralement en quartz et espacés l'un de L'autre pour former un canal 17 de passage du liquide de refroidissement 19. Il serait également possible d'avoir plus de deux hublots ou que l'un des hublots soit constitué de deux couches de quartz superposées. Comme cela a déjà été décrit précédemment, les produits utilisés comme liquides de refroidissement doivent être transparents à des longueurs d'onde comprises entre 0,4 et 4 pm ou plus précisément, entre 0,4 et 2,5 pm, ce qui correspond à la gamme de transparence du hublot en quartz. Ils doivent comprendre des liaisons uniquement carbonées ou présentant éventuellement des groupes oxygènes et doivent être saturés par des halogènes tels que le fluor et/ou le chlore. En outre, ces produits doivent simultanément présenter de bonnes propriétés caloportrices. De façon inattendue, on a découvert que parmi ces produits, deux familles d'entre eux présentaient des propriétés particulièrement intéressantes. L'une de ces familles de produits comprend les perfluoropolyéthers connus sous le nom de marque FOMBLIN Y et fabriqués par la Société MONTEFLUOS, ces produits présentent la formule chimique suivante où n est un nombre dont la valeur moyenne est de 19 et où le rapport n/m est égal à 1000. L'autre de ces familles de produits comprend des huiles constituées par des polymères de faible poids moléculaire du trifluoromonochloroéthylène de formule générale C l-(CF2-CFC l) n~C l où n est un nombre entier compris entre 3 et 6. Ces produits sont connus notamment sous le nom de marque VOLTALEF produits par la Société ATOCHEM et sous le nom de marque GALDEN fabriqués par La Société MONTEFLUOS. Ces huiles sont d'excellents lubrifiants utilisés par exemple dans des compresseurs, des amortisseurs ou des vannes. Les propriétés spécifiques des perfluoropolyéthers vont maintenant être décrites. La figure 2 illustre des mesures effectuées avec un spectrographe à cuve en quartz suprasil de marque VARIAN. Les courbes illustrées dans cette figure 2 représentent la variation d'absorption de L'énergie des lampes par le liquide de refroidissement étudié, en faisant varier la longueur d'onde > émise par ces lampes entre 0,5 et 3 Vm. L'épaisseur de la couche de liquide de refroidissement est de 10 mm. La première courbe C1 illustre la réponse de l'eau. On peut constater qu'au-delà de 1,2 fm environ, l'absorption est déjà de 50% et que très rapidement, au-delà de 1,3 um, l'eau absorbe sensiblement à 100% les radiations émises par les lampes. La courbe C2 illustre des mesures identiques effectuées pour l'huile synthétique de la famille des perfluoropolyéthers précitée.On peut constater que cette huile est transparente entre 0 et 2,6 pm. La coupure observée à 2,6 lum correspond en fait à celle de la cuve en quartz suprasil. Ce produit est donc complétement transparent dans la zone intéressante pour son utili sation dans le dispositif de refroidissement du four. En outre, un calcul théorique effectué sur ce type de produit présente les performances avantageuses de celui-ci sur la transmission du flux lumineux émis par les lampes du four. Pour une température de lampes donnée exprimée en Kelvin, on a calculé la fraction de puissance traversante, exprimée en %. Les résultats sont exprimés dans le tableau 1. Pour le calcul, on suppose que le film d'eau ne transmet plus le faisceau traversant au-delà de 1,3 zum et que le film d'huile synthétique de marque déposée FOMBLIN Y ne transmet plus au-delà de 2,6 pm. Pour la méthode de calcul, on se reportera à celle décrite dans : "La transmission de la chaleur" de Vriendt-Editeur Gaétan MORIN-page 79. Tableau 1 PUISSANCE TRAVERSANTE (%) TEMPERATURE DU ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ FILAMENT DES LAMPES eau FOMBLIN (K) coupure = 1,3 pm coupure = 2,6 pm 1300 3 33 1500 9 48 2000 18 63 2500 33 78 3000 47 85 3500 56 89 On peut constater à la lecture de ces résultats qu'à température de source égale, lorsqu'on utilise L'huile FOMBLIN Y, la puissance traversante est au moins multipliée par deux, dans La plage habituelle d'utilisation des fours, c'est-à-dire entre 1000 et 3000 K. En outre, ce produit est très stable au contact de substances agressives telles que le chlore, les acides, les alcalis, les oxydants. Aux températures d'utilisation du four, ce liquide est également thermiquement stable. Enfin, il n'est pas explosif. En conséquence, il correspond aux exigences de sécurité, de qualités caloportrices et de transparence dans le domaine d'onde considéré, et peut être utilisé dans le dispositif de refroidissement selon l'invention. Les propriétés spécifiques des polymères du trifluoromonochloroéthylène vont maintenant être décrites. Les essais décrits ci-après ont été réalisés avec l'huile VOLTALEF 1S fabriquée et commercialisée par la Société ATOCHEM. La figure 3 illustre les résultats obtenus au cours de ces essais. Des essais de performances de différents dispositifs de refroidissement ont été réalisés en déterminant la puissance électrique absorbée par le dispositif de refroidissement testé, pour une température donnée de chauffage des éléments à traiter ici des plaquettes. Les courbes A et A1 illustrent respectivement les résultats obtenus avec un dispositif de refroidissement ne comportant qu'un seul hublot en quartz et en maintenant la face arrière de ce hublot soit sous vide, soit à la pression atmosphérique. La courbe B illustre le cas où le dispositif de refroidissement comprend deux hublots en quartz et où le liquide de refroidissement circulant entre ces deux hublots est de l'eau.Enfin, la courbe C illustre le cas où le dispositif de refroidissement est conforme à l'invention et comprend deux hublots en quartz et l'huile à base de polymères de trifluoro monochloroéthylène comme liquide de refroidissement. Les courbes A et A1 illustrent un cas extrême où il n'y a pas d'absorption. En revanche, dans les dispositifs comprenant deux hublots et un liquide de refroidissement circulant entre eux deux (courbes B et C), on constate qu'un film d'eau absorbe une grande partie de la puissance alors qu'un film de l'huile précitée n'absorbe que peu de puissance. Ainsi, pour une plaquette maintenue à environ 10000C, on peut constater que la puissance absorbée est d'environ 7,5 kW dans le cas du dispositif de refroidissement à un seul hublot (courbe A), d'environ 19 kW dans le cas du dispositif utilisant L'eau comme liquide de refroidissement (courbe B) et d'environ 10 kW dans le cas du liquide de refroidissement selon l'invention (courbe C).L'utilisation de l'huile VOLTALEF (marque déposée) comme liquide de refroidissement permet donc de gagner près de 50% de puissance. De plus, on peut même estimer compte tenu des incertitudes de mesure que la puissance réellement échangée est inférieure à celle déterminée sur le graphique. En conséquence, la courbe C est en réalité plus proche de la courbe A. En outre, en utilisant ce liquide de refroidissement, on a pu constater une très faible variation de température du liquide de refroidissement à l'entrée et à la sortie de l'échangeur de chaleur 25, ce qui confirme que le liquide absorbe peu d'énergie. On a également pu constater que l'huile VOLTALEF étant d'une forte densité (environ 2,2), elle mouille mieux les deux faces internes des hublots en quartz et qu'aucune bulle n'est décelée. Cette huile présente une bonne stabilité thermique et chimique à haute température, (sa température limite d'utilisation est de 2500C, alors que dans l'application particulière au four, le liquide de refroidissement atteint des températures n'excédant pas 700C). Enfin, ces huiles sont moins coûteuses que les huiles FOMBLIN précédemment décrites. En conséquence, ce produit s' avère également être un très bon liquide de refroidissement dans l'application particulière au four de traitement par chauffage avec des lampes à infrarouge. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'un four de traitement d'un élément, comprenant un assemblage d'au moins deux hublots (13, 14) sensiblement parallèles disposés entre La chambre de réaction du four (3) destinée à contenir ledit élément (5) et les moyens de chauffage (7) dudit four, ces moyens de chauffage comprenant des lampes (11) à rayonnement infrarouge et ces deux hublots (13, 14) étant réalisés dans un matériau destiné à laisser passer le rayonnement lumineux desdites lampes (11) vers l'intérieur de ladite chambre de réaction et étant espacés l'un de l'autre de façon à définir un canal (17) pour le passage d'un liquide de refroidissement (19) circulant, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement (19) est un Liquide caloporteur, transparent aux rayonnements compris entre 0,4 et 4 vm environ et permettant d'évacuer L'énergie reçue par les hublots lors du rayonnement de l'élément chauffé. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les hublots (13, 14) sont réalisés en quartz et en ce que le liquide de refroidissement (19) est transparent aux rayonnements compris entre 0,4 et 2,5 pm environ. 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement (19) est choisi parmi les composés à channe carbonée saturée par des halogènes ou les composés à chaine carbonée et oxygénée saturée par des halogènes. 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les halogènes sont choisis parmi le fluor et le chlore. 5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement (19) est choisi parmi les perfluoropolyéthers de formule où n est un nombre dont la valeur moyenne est de 19 où le rapport n/m est égal à 1000 ou parmi les polymères de faible poids moléculaire du trifluoromonochloroéthylène de formule C l-(CFz-CFC l) n~C l où n est un nombre entier compris entre 3 et 6. 6. Four de chauffage d'un élément à traiter comprenant une chambre de réaction (3) dans laquelle est placé ledit élément (5) et des moyens de chauffage (7) constitués par des lampes (11) dont le rayonnement s'étend du visible à l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5.