Brevet FR2746898A1 — publié le 19971003

Dispositif de distribution de fluide, en particulier de gaz de haute pureté L'invention concerne les dispositifs de distribution de fluides, pour des applications de haute technologie. L'industrie des composants électroniques cherche constamment à diminuer la largeur de trait de la gravure sur semi-conducteur. Le progrès technique y approche des limites théoriques. Dans ces conditions, il est nécessaire que les fluides utilisés dans les procédés de gravure soient d'une très grande pureté. Il en est de même dans d'autres secteurs, en particulier l'industrie chimique et pharmaceutique. De manière générale, les procédés employés font appel à des mélanges de fluides. La précision du mélange, qui est elle aussi extrêmement critique, est assurée notamment à l'aide de contrôleurs de débit massiques dits mass flow controllers". Peuvent s'y ajouter par exemple des filtres. Les dispositifs de distribution de fluide, devenant de plus en plus complexes, engagent des investissements extrêmement importants, d'autant plus que les appareils choisis pour les constituer sont de haute précision, et de haute qualité. Malgré cela, et même si la probabilité qu'individuellement, un contrôleur de débit n'opère pas de la manière attendue est très faible, le risque de panne demeure conséquent pour un dispositif de distribution de fluide comprenant un grand nombre de tels appareils. En présence d'un dysfonctionnement de son installation de distribution de fluide, l'opérateur de celle-ci se trouve face à une panne complexe, dont il lui est a priori difficile de connaître la cause. I1 peut, au vu de la panne, estimer quels sont le ou les contrôleurs de débit (ou autres appareils) suspectés de dysfonctionnement. I1 lui faut alors démonter chacun de ceux-ci, pour procéder à leur calibration hors de la ligne de fabrication. Tout appareil suspecté, s'il est défectueux, doit faire l'objet d'une vérification et/ou recalibration en atelier spécialisé. Il est ensuite remis en place. Une variante consiste à prévoir un nombre suffisant d'appareils, qu'il est nécessaire de re-calibrer avant chaque intervention sur un équipement. Ceci accroît d'autant l'investissement lié à l'installation. De plus, ces opérations de démontage et remplacement entraînent une contamination plus ou moins importante de l'ensemble du dispositif de distribution de fluides. Il faut donc de surcroît consacrer le temps nécessaire à la décontamination. Pendant ce temps, la mise à l'arrêt de l'ensemble de lins- tallation est obligatoire. Cette situation est d'abord gênante au plan de la rentabilité des investissements existants. Mais elle gêne de plus la conception de nouvelles installations encore plus performantes, car les problèmes relevés plus haut ont des effets pénalisants qui croissent très vite avec le niveau de performances requis. Pour prendre un exemple précis, les progrès de la technologie des semi-conducteurs en viennent à réaliser des microprocesseurs ou plus généralement des circuits de résolution extrêmement fine: en technologie CMOS, on veut passer de 0,35 micromètres à 0,25 puis 0,12 micromètres. Ces progrès sont actuellement entravés par les problèmes relevés ci-dessus. La présente invention vient apporter une solution à ces problèmes. A cet effet, on part d'un dispositif de distribution de fluide, en particulier de gaz de haute pureté qui, dans une configuration élémentaire, comporte - une pluralité d'entrées de fluide, - une pluralité de lignes de connexion partant respectivement de ces entrées, et comprenant chacune au moins un organe de transfert, tel qu'un contrôleur de débit, - ces lignes aboutissant à une jonction de distribution des fluides vers une conduite d'équipement utilisateur, tel qu'un four sous atmosphère contrôlée. Selon un aspect essentiel de la présente invention, le dispositif comporte en outre, sur chaque ligne: - une vanne d'aiguillage intermédiaire, avec une voie reliée à l'entrée de ligne, une seconde voie reliée à l'entrée de l'organe de transfert, et une troisième voie, - une autre vanne d'aiguillage intermédiaire, avec une voie reliée à la sortie de l'organe de transfert, une seconde voie, et une troisième voie, - une vanne d'aiguillage terminale, avec une voie reliée à la sortie de cette autre vanne d'aiguillage intermédiaire, une seconde voie reliée à la conduite d'équipement utilisateur pour contribuer à ladite jonction de distribution des fluides, et une troisième voie. Il est prévu une seconde jonction entre les troisièmes voies des vannes d'aiguillage terminales et un organe auxiliaire ayant des propriétés de transfert (mesure) comparables à celles desdits organes de transfert (par exemple un contrôleur de débit à calibrer), cet organe auxiliaire ayant une sortie libre, ainsi qu'une troisième jonction entre les troisièmes voies desdites vannes d'aiguillage intermédiaires et une conduite de purge. Très avantageusement, toutes les liaisons entre éléments du dispositif sont réalisées par des raccords sans joint. On peut utiliser à cet effet les raccords entre éléments de conduits dits RHP, et définis notamment dans le fascicule Brevet EP-0 392 901. En effet, des raccords de ce genre assurent une excellente étanchéité, même sous pression, tout en ne délivrant prati quement aucune impureté indésirable dans les circuits de distribution de fluide. Au contraire, il est apparu que d'autres raccords connus stockent des quantités minimes d'impuretés dans leurs joints, et les re-délivrent ensuite à des moments inattendus. Même minimes, ces quantités d'impuretés sont extrêmement gênantes dans les applications de haute technologie, à proportion des performances recherchées et du nombre de raccords que comporte l'installation. Par conséquent, l'homme du métier cherche actuellement à réduire autant que possible le nombre de raccords de son installation. Avec les raccords sans joint, il s'est avéré possible de multiplier le nombre de raccordements dans un circuit de distribution, sans pour autant pénaliser celui-ci au plan de la contamination par les raccords eux-mêmes, comme s'y attendrait l'homme du métier. C'est là l'un des éléments qui permettent de prévoir la seconde jonction vers l'organe auxiliaire, qui possède une fonction de transfert comparable à celle de l'organe de transfert principal monté en ligne. A partir de là, on va pouvoir vérifier celui-ci in situ, sans qu'aucun démontage ne soit nécessaire. Ceci est d'ores et déjà un avantage fondamental. Tout particulièrement, s'agissant pour l'élément de transfert d'un contrôleur de débit du type "mass flow controller", l'organe auxiliaire peut alors être un contrôleur de débit d'un genre différent, en particulier celui du type dit "molbloc" (Marque Déposée). On réalise alors un second avantage, qui est le contrôle in situ d'un contrôleur de débit soupçonné de défectuosité, et ce à l'aide d'un autre contrôleur de débit opérant sur un principe différent, ce qui est particulièrement intéressant au niveau d'un contrôle, en accord avec les normes ISO 9000 actuelles. Certaines au moins des lignes de fluide peuvent comprendre, comme éléments de transfert, un filtre suivi d'un contrôleur de débit; il est alors prévu encore une autre vanne d'aiguillage intermédiaire entre le filtre et le contrôleur de débit, avec sa troisième voie également reliée à ladite jonction vers la conduite de purge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé dont la figure unique illustre, en version simplifiée, un mode de réalisation de la présente invention. Comme indiqué précédemment, les installations de distribution de fluide dont il s'agit sont extrêmement complexes. Pour éviter d'alourdir inutilement la description détaillée ciaprès, il n'en est présenté qu'une version réduite. I1 doit cependant être gardé à l'esprit qu'une installation de distribution de gaz pour les semi-conducteurs comporte un nombre important de dispositifs élémentaires tels qu'illustrés sur la figure. Par ailleurs, les fluides utilisés dans l'industrie des semiconducteurs étant généralement des gaz, le mot gaz sera utilisé ci-après dans la description détaillée. La génération à d'autres fluides reste naturellement permise. La figure fait apparaître trois lignes de connexion partant de trois entrées. La première entrée part d'une bouteille 10 contenant un gaz G1, relié par une conduite 11 à une vanne d'arrêt 12, suivie d'une vanne à trois voies 13, dont un accès va vers un filtre 14. La sortie du filtre 14 est reliée à un accès d'une autre vanne à trois voies 15, suivi d'un contrôleur de débit massique (ou mass flow controller 16), dont la sortie va vers un accès d'une vanne à trois voies 17, suivie d'une vanne d'arrêt 18. Ce schéma se répète pour les deux autres lignes représentées, qui partent de bouteilles 20 et 30 pour des gaz G2 et G3, aboutissant à des vannes d'arrêt 28 et 38. Les accès de sortie des trois vannes d'arrêt 18, 28 et 38 sont reliés à un accès respectif de vannes à quatre voies 19, 29, 39. L'un des accès de sortie de ces vannes 19, 29 et 39 va vers une vanne d'arrêt 50 (normalement ouverte), qui fournit le mélange des gaz choisis à un équipement utilisateur, qui est par exemple un four de diffusion, par une conduite 51. Les filtres 14, 24 et 34 ont pour fonction d'assurer la grande pureté voulue des gaz à mélanger. Les contrôleurs de débit 16, 26 et 36 ont pour fonction d'assurer avec une grande précision les débits voulus des gaz G1, G2 et G3. Ils obéissent à une commande par tension électrique. Dans les installations connues jusqu'à présent, le circuit qui vient d'être décrit ne comporterait pas les vannes 12,23,33, ainsi que 15,25,35, et 17,27,37, ni 19,29,39, de même que 50,66,68,92 et 99. I1 ne comprendrait pas non plus les deux raccords que comporte chacune de ces vannes (comme les autres composants). Selon une caractéristique de l'invention, un accès de sortie des vannes 19, 29, 39 est relié à un organe auxiliaire 66. Cet organe auxiliaire est choisi pour avoir des propriétés de transfert comparables à celles des organes de transfert de base que constituent les contrôleurs de débit massique 16, 26 et 36. Pour des contrôleurs de débit massique, l'organe 66 peut être l'appareil dit "molbloc" fourni par exemple par la Société des Etats-Unis CAL TECHNIX, et qui réalise le contrôle de débit non pas de la manière des contrôleurs de débit massique de base, mais au contraire en utilisant une technologie de mesure différente, qui est en l'occurrence une variation de capacité calorifique. La sortie de l'organe 66 peut être reliée par une vanne d'arrêt 68 à un évent. A côté des lignes qui viennent d'être décrites, il est prévu une bouteille 90 contenant un autre gaz, par exemple de l'azote (N2), qui, par une conduite 91, aboutit à deux vannes d'arrêt 92 manuelle et 99, normalement ouverte. (Les raccords trois voies sont illustrés par de simples ronds encadrant la connexion, sur le dessin). La sortie de la vanne 92 est reliée à un accès des vannes 13, 23, 33 d'une part, 15, 25, 35 d'une autre part, 17, 27, 37 de troisième part. La sortie de la vanne d'arrêt 99 est reliée au quatrième accès des vannes 19, 29 et 39, qui peuvent être appelées vannes "terminales", du fait qu'elles sont au bout de chacune des lignes de gaz partant des bouteilles 10, 20 et 30. Le dispositif qui vient d'être décrit comporte plusieurs avantages complémentaires. Tout d'abord, si l'on désire vérifier le contrôleur de débit massique 36, on va fermer les vannes d'arrêt 32 et 50. On ouvre les vannes d'arrêt 92, 33, 38, 39 et 68. Du gaz passe alors de la bouteille 90 à travers le contrôleur de débit 36 et le filtre associé 34, pour poursuivre son trajet par l'organe auxiliaire 66 et aboutir à l'évent. On peut ainsi vérifier la calibration convenable et l'absence de dérive du contrôleur 36 à l'aide de l'organe auxiliaire molbloc 66. Si le diagnostic est une simple dérive du contrôleur de débit 36, il suffit de réajuster celui-ci, par changement de son point de consigne. Aucun démontage n'est nécessaire, ce qui est très avantageux. Une autre caractéristique importante du dispositif proposé réside en ce qu'il est possible de réaliser un balayage de part et d'autre de l'organe de transfert à remplacer, tout en évitant de polluer le reste de l'ensemble du dispositif de distribution de gaz. I1 n'y a en particulier aucune remise à l'air lors des purges, ce qui évite notamment l'introduction d'impuretés et d'humidité à l'intérieur du dispositif de distribution de gaz. Ce balayage est utile lorsqu'un organe de transfert de base doit être échangé. Si par exemple il y a lieu d'échanger le filtre 34, on va fermer les vannes 32 et 38, et ouvrir les vannes 92, 33 et 35. Ceci permet un balayage de part et d'autre du filtre 34 pendant et après l'échange de celui-ci. De même, s'il s'agit d'échanger le contrôleur de débit 36 (qui ne peut être re-calibré), on ferme les vannes 32 et 38, on ouvre les vannes 92, 35 et 37. Ainsi, le dispositif proposé permet - une réduction importante des temps d'arrêt de l'installation de distribution des fluides, - un bien meilleur contrôle de la qualité dans l'ensemble de l'installation de distribution des gaz, puisqu'il n'y a pratiquement pas de remise à l'air libre de celle-ci. En outre, la possibilité de calibrer in situ les contrôleurs de débit par un appareil de référence fondé sur une technologie de mesure différente est particulièrement avantageuse, remarque étant faite que le dispositif proposé permet de réaliser cette fonction sans aucun démontage des contrôleurs de débit, sauf défectuosité complète de ceux-ci. Ainsi, la présente invention fournit une solution particulièrement élégante au défi exceptionnel posé par la nécessité de mettre en oeuvre des gaz de plus en plus purs, aussi bien pour les futurs produits semi-conducteurs à taille de trait extrêmement fine que pour les produits très exigeants dans le domaine comme la pharmacie ou la chimie fine. Quoique l'invention fournisse ses pleins avantages avec les raccords du type RHP précité, il est envisageable de la mettre en oeuvre avec d'autres raccords non susceptibles de stocker des impuretés. Revendications 1. Dispositif de distribution de fluide, en particulier de gaz de haute pureté, du type comprenant: - une pluralité d'entrées de fluide (10, 20, 30), - une pluralité de lignes de connexion partant respectivement de ces entrées, et comprenant chacune au moins un organe de transfert, tel qu'un contrôleur de débit (16, 26, 36), ou un filtre (14, 24, 34), - ces lignes aboutissant à une jonction de distribution des fluides vers une conduite d'équipement utilisateur (51), tel qu'un four sous atmosphère contrôlée, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre, sur chaque ligne: - une vanne d'aiguillage intermédiaire (15, 25, 35), avec une voie reliée à l'entrée de ligne, une seconde voie reliée à l'entrée de l'organe de transfert (16, 26, 36), et une troisième voie, - une autre vanne d'aiguillage intermédiaire (17, 27, 37), avec une voie reliée à la sortie de l'organe de transfert, une seconde voie, et une troisième voie, - une vanne d'aiguillage terminale (19, 29, 39), avec une voie reliée à la sortie de cette autre vanne d'aiguillage intermédiaire, une seconde voie reliée à la conduite d'équipement utilisateur pour contribuer à ladite jonction de distribution des fluides, et une troisième voie, en ce qu'il est prévu une seconde jonction entre les troisièmes voies des vannes d'aiguillage terminales (19, 29, 39) et un organe auxiliaire (66) ayant des propriétés de transfert comparables à celles desdits organes de transfert (16), cet organe auxiliaire ayant une sortie libre, ainsi qu'une troisième jonction entre les troisièmes voies desdites vannes d'aiguillage intermédiaires (15, 25, 35; 17, 27, 37) et une conduite de purge (91). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que et en ce que toutes les liaisons entre éléments du dispositif sont réalisées par des raccords sans joint. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte, sur certaines au moins des lignes, une première vanne d'arrêt (12, 22, 32), montée entre l'entrée de ligne et la première vanne d'aiguillage intermédiaire, et une seconde vanne d'arrêt (18, 28, 38), montée entre ladite autre vanne d'aiguillage intermédiaire et la vanne d'aiguillage terminale. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel certaines au moins des lignes comprennent, comme éléments de transfert, un filtre (14) suivi d'un contrôleur de débit (16), caractérisé en ce qu'il est prévu encore une autre vanne d'aiguillage intermédiaire (15, 25, 37) entre le filtre et le contrôleur de débit, avec sa troisième voie également reliée à ladite jonction vers la conduite de purge. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite de purge est reliée (91) par une vanne d'arrêt supplémentaire (92) à une source d'azote (90). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vannes d'aiguillage terminales (19, 29, 39) sont des vannes quatre-voies, leur quatrième voie formant jonction vers une vanne d'arrêt reliée par ailleurs à une conduite d'azote (99). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément de transfert (16, 26, 36) comprend un contrôleur de débit, en particulier du type dit mass-flow controller", caractérisé en ce que l'organe auxiliaire (66) est un contrôleur de débit d'un genre différent, en particulier du type "MOLBLOC".