Brevet FR2792083A1 — publié le 20001013

Système de régulation de pression d'une enceinte sous vide, groupe de pompage à vide pourvu d'un tel système La présente invention concerne un système de régulation de pression dans une enceinte pompée par un groupe de pompage à vide. Dans les procédés industriels de fabrication ou de traitement de produits dans des enceintes alimentées en gaz de traitement à des très basses pressions, il est nécessaire de régler la pression de l'enceinte. C'est le cas, par exemple, dans les procédés de fabrication et de traitement des semi-conducteurs. En effet, nombreux sont les problèmes de contamination au cours des divers procédés semi-conducteurs. Certains sont relatifs à la ligne de vide qui extrait les gaz issus des chambres de procédés et plus précisément aux régimes de pompage. Un système de régulation de la pression dans l'enceinte contenant le substrat en fabrication (chambre de procédés) apporte une solution à certaine de ces contaminations. La ligne de vide comprend en général un groupe de pompage (pompe primaire et pompe secondaire) et des canalisations pour relier la chambre de procédés au groupe de pompage. Lorsqu'une chambre est pompée, le volume du gaz dans la chambre se détend, conduisant au refroidissement du gaz. Si la descente en pression est trop rapide la température du gaz chute et une transition de phase (gaz --> liquide, gaz - ->solide) est amorcée. Des gouttelettes ou des particules se forment dans la canalisation et dans la chambre (au niveau du substrat). Elles peuvent retrodiffuser de la canalisation vers la chambre et ainsi accroître la contamination de la chambre. Si une descente en pression s'effectue rapidement, des mouvements de turbulence sont générés. Ces structures turbulantes arrachent des particules déposées dans les canalisations et la chambre les transporte et les redistribue vers des zones qui peuvent être critiques (au niveau des substrats sur lesquels sont réalisés les circuits intégrés). Un procédé connu pour effectuer la régulation de pression dans une enceinte pompée par une pompe à vide est d'utiliser en série, à l'aspiration de la pompe, une vanne à conductance variable permettant de faire varier le flux pompé et donc la pression dans l'enceinte. Le degré d'ouverture de la vanne est réglé par un signal de commande provenant d'un circuit de régulation en partant d'une pression de consigne et de la pression mesurée dans l'enceinte. Cette façon de procéder est onéreuse et encombrante. De plus, la vanne de régulation positionnée juste en sortie de chambre qui permet de réguler la pression dans la chambre pour des flux de gaz donnés, présente une surface importante pour le dépôt de particules générées par les procédés, mais aussi pour tout dégazage et désorption. Les particules desorbées peuvent, par rétrodiffusion, contaminer à leur tour la chambre de procédés. Un autre procédé connu est d'utiliser une pompe primaire mécanique ayant une vitesse de rotation variable asservie à une jauge de pression. Cependant, la gamme de flux de pompage contrôlable est trop limitée pour les applications semi- conducteurs. Il en résulte que, pour des vides importants, la régulation de la pression n'est pas efficace et une contamination risque de se développer. L'un des buts de la présente invention est d'augmenter sensiblement la gamme de flux de pompage controlable afin d'avoir une maîtrise de la régulation de pression dans toutes les phases des applications semi-conducteurs. A cet effet, I'invention concerne un système pour réguler la pression dans une enceinte comprenant des effluents, reliée par des canalisations à un groupe de pompage comprenant une pompe primaire mécanique et au moins une pompe secondaire, selon l'invention, le système comprend un variateur de vitesse contrôlant simultanément les vitesses de rotation de la pompe primaire mécanique et de la pompe secondaire. Dans une forme de réalisation de l'invention, le variateur de vitesse est asservi à des profiles prédéterminés de vitesses de rotation des pompes, calculés à partir des courbes de condensation des effluents contenus dans l'enceinte et les canalisations. Avantageusement, seul ou en combinaison avec les courbes de condensation, le variateur de vitesse peut aussi être asservi à des profiles prédéterminés de vitesses de rotation des pompes, calculés à partir des caractéristiques aérodynamiques d'écoulement non-turbulent des effluents dans l'enceinte et les canalisations. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le système comprend À une jauge de pression, montée en amont de la pompe secondaire contrôlée, captant une pression, et * un observateur ayant en entrées une valeur proportionnelle à la pression captée et une valeur proportionnelle à une consigne de pression variable, et en sortie un signal de commande du variateur de vitesses pour augmenter ou diminuer les vitesses de rotation des pompes en fonction des valeurs d'entrée. Avantageusement le système peut comprendre une sonde de température, montée en amont de la pompe secondaire contrôlée, captant une température, l'observateur ayant, en entrée, une valeur proportionnelle à la température captée. En outre le système peut comprendre un capteur de structure turbulente, monté en amont de la pompe secondaire contrôlée, quantifiant le degré de turbulence, I'observateur ayant, en entrée, une valeur proportionnelle au degré de turbulence quantifié. L'invention concerne aussi un dispositif de pompage à vide comprenant un groupe de pompage ayant une pompe primaire mécanique et au moins une pompe secondaire, une enceinte à vide, et des canalisations reliant l'enceinte à vide au groupe de pompage. Selon l'invention le dispositif de pompage comprend un système de régulation de pression tel que décrit ci-dessus. La pompe secondaire, contrôlée simultanément avec la pompe primaire, peut être une pompe turbomoléculaire. La pompe secondaire, contrôlée simultanément avec la pompe primaire, peut être une pompe de type Roots. Dans ce cas, une pompe turbomoléculaire peut être intercalée entre la pompe secondaire contrôlée de type Roots et l'enceinte à pression régulée. L'un des avantages de la présente invention résulte de l'asservissement simultané des deux pompes du groupe de pompage. Cela permet d'obtenir une gamme de flux de pompage controlable allant de 10 à 10000 sccm (0,16 mbar I/sec à 166 mbar I/s) couvrant les besoins des applications semi-conducteurs. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulterons de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un système selon un mode de réalisation de l'invention. - la figure 2 est une représentation schématique d'un système selon un autre mode de réalisation de l'invention. - la figure 3 est une représentation schématique d'un système selon un autre mode de réalisation de l'invention. - les figures 4A et 4B sont des représentations schématiques de graphes représentant respectivement des courbes de condensation pour deux effluents possibles (H20 et AICI3) et les profiles de vitesse de rotation prédéterminés qui en découlent. L'invention concerne un système pour réguler la pression dans une enceinte 1 comprenant des effluents, reliée par des canalisations 2 à un groupe de pompage 3 comprenant une pompe primaire mécanique 4 et au moins une pompe secondaire 5. Le système comprend un variateur de vitesse 6 contrôlant simultanément les vitesses de rotation de la pompe primaire mécanique 4 et de la pompe secondaire 5. Dans une première forme de réalisation, représentée sur la figure 1, le variateur de vitesse 6 est asservi à des profiles prédéterminés 20 de vitesses de rotation des pompes, calculés à partir des courbes de condensation des effluents contenus dans l'enceinte 1 et les canalisations 2. Les figures 4A et 4B représentent respectivement les courbes de condensations de deux effluents (H20 et AICI3), et, pour ces effluents, les profiles prédéterminés de vitesses de rotation des pompes pour éviter toute condensation desdits effluents. Les effluents H20 et AICI3 sont donnés ici à titre d'exemples illustratifs de la première forme de réalisation de l'invention et ne sont aucunement limitatifs. Les profiles prédéterminés de vitesses, représentés sur la figure 4B sont simples en ce qu'ils concernent chacun un effluent unique. On comprend que ces profiles peuvent être largement plus compliqués quand l'enceinte 1 contient une pluralité d'effluents ayant des courbes de condensations différentes. Dans le souci d'éviter que des dépôts contaminant ne se décrochent des parois de l'enceinte 1 et/ou des canalisations 2, les calcules des profiles prédéterminés de vitesses de rotation des pompes, peuvent intégrer des caractéristiques aérodynamiques d'écoulement non-turbulent des effluents dans l'enceinte 1 et les canalisations 2. Ainsi, les profiles prédéterminés de vitesses de rotation intègrent le fait que l'écoulement des effluents, résultant du pompage, doive rester le plus possible dans le domaine laminaire. La pompe secondaire, contrôlée simultanément avec la pompe primaire, peut être une pompe turbomoléculaire. La pompe secondaire, contrôlée simultanément avec la pompe primaire, peut être une pompe de type Roots. Dans ce cas, une pompe turbomoléculaire peut être intercalée entre la pompe secondaire contrôlée de type Roots et l'enceinte à pression régulée. Dans une deuxième forme de réalisation, le système comprend une jauge de pression 7, montée en amont de la pompe secondaire 5 contrôlée, captant une pression, et un observateur 8 ayant en entrées une valeur 9 proportionnelle à la pression captée et une valeur 10 proportionnelle à une consigne de pression variable 1 7, et en sortie un signal de commande 15 du variateur de vitesses 6 pour augmenter ou diminuer les vitesses de rotation des pompes en fonction des valeurs d'entrée 9, 1 0. Afin d'affiner l'asservissement de la vitesse de rotation des pompes aux conditions optimales de limitant la contamination par condensation des effluents contenus dans l'enceinte 1 ou les canalisations 3, le système comprend en plus une sonde de température 11, montée en amont de la pompe secondaire 5 contrôlée, captant une température. L'observateur 8 a une valeur 1 2 supplémentaire en entrée, ladite valeur 12 étant proportionnelle à la température captée. Afin d'intégrer dans la boucle d'asservissement la limitation de la contamination par décrochage de dépôt contaminant dû à un écoulement trop turbulent des effluents pompés, le système comprend un capteur de structure turbulente 13, monté en amont de la pompe secondaire 5 contrôlée, quantifiant le degré de turbulence. L'observateur 8 a une valeur 14 supplémentaire en entrée, ladite valeur 14 étant proportionnelle au degré de turbulence quantifié. Le système peut, en outre, comprendre un capteur de particules 18, montée en amont et/ou en aval de la pompe secondaire contrôlée, mesurant un niveau de particules, I'observateur 8 ayant en entrée une valeur 19 proportionnelle au nombre de particules dans les canalisation 2. Dans une autre forme de réalisation de I 'invention, représentée figure 3, le système comprend une jauge de pression 7' montée en amont de la pompe primaire contrôlée 4 en plus de la jauge de pression 7 montée en amont de la pompe secondaire 5. L'observateur 8 renferme un premier algorithme PID qui assure la régulation de la pression 9' à l'aspiration de la pompe primaire 4 et optimise le temps de réponse de la pression 9 à l'aspiration de la pompe secondaire 5, et un second algorithme PID qui régule la pression 9 à l'aspiration de la pompe secondaire 5 pour optimiser l'erreur statique et l'instabilité en régime permanent. Pour diminuer la durée d'un transitoire entre un état de pression initiale et la consigne 10 d'un état de pression final, on ajoute à la boucle de régulation une consigne de référence 21 qui est fixée proche de la consigne de vitesse finale (processus stabilisée); cela permet de diminuer l'effet retardateur de la partie intégrale du PID. Dans une autre forme de réalisation de I 'invention, non représentée, le système comprend une jauge de pression montée en amont de la pompe primaire contrôlée, et/ou une jauge de pression montée en amont de la pompe secondaire. Le variateur de vitesse ou l'observateur contient une carte d'automatisme qui assure le passage optimal (le plus cours possible) entre un état initial de pression de chambre (donc des vitesses de rotation des pompes) et un état final de pression dans la chambre. Cette carte d'automatismes renferme des algorithmes de type logique floue (Fuzzy Logic en anglais): on définit des régies mathématiques entre les pressions (valeurs absolues et relatives), les flux de gaz de procédés, les conductances et les paramètres qui régissent les profils des vitesses instantanées. Quelle que soit la forme de réalisation, la pompe secondaire, contrôlée simultanément avec la pompe primaire, peut être une pompe turbomoléculaire. La pompe secondaire, contrôlée simultanément avec la pompe primaire, peut être une pompe de type Roots. Dans ce cas, une pompe turbomoléculaire peut être intercalée entre la pompe secondaire contrôlée de type Roots et l'enceinte à pression régulée. Les jauge, sonde, et capteur peuvent alors être indifféremment positionnés à l'aspiration ou au refoulement de la pompe turbomoléculaire intercalée. L'invention concerne aussi un dispositif de pompage à vide comprenant un groupe de pompage 3 ayant une pompe pri aire mécanique 4 et au moins une pompe secondaire 5, une enceinte à vide 1, et des canalisations 2 reliant l'enceinte à vide 1 au groupe de pompage 3. selon l'invention le dispositif de pompage comprend un système de régulation de pression tel que décrit ci-dessus. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme du métier sans que l'on s'écarte de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système pour réguler la pression dans une enceinte (1) comprenant des effluents, reliée par des canalisations (2) à un groupe de pompage (3) comprenant une pompe primaire mécanique (4) et au moins une pompe secondaire (5), caractérisé en ce que le système comprend un variateur de vitesses (6) contrôlant simultanément les vitesses de rotation de la pompe primaire mécanique (4) et de la pompe secondaire (5). 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le variateur de vitesses (6) est asservi à des profiles prédéterminés (20) de vitesses de rotation des pompes, calculés à partir des courbes de condensation des effluents contenus dans l'enceinte (1) et les canalisations (2). 3. Système selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le variateur de vitesses (6) est asservi à des profiles prédéterminés (20) de vitesses de rotation des pompes, calculés à partir des caractéristiques aérodynamiques d'écoulement non-turbulent des effluents dans l'enceinte (1) et les canalisations (2). 4. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une jauge de pression (7), montée en amont de la pompe secondaire (5) contrôlée, captant une pression, et un observateur (8) ayant en entrées une valeur (9) proportionnelle à la pression captée et une valeur (10) proportionnelle à une consigne de pression variable (17), et en sortie un signal de commande (15) du variateur de vitesses (6) pour augmenter ou diminuer les vitesses de rotation des pompes (4, 5) en fonction des valeurs d'entrée. 5. Système selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend une jauge de pression (7'), montée en amont de la pompe primaire (4) contrôlée, captant une pression, I'observateur (8) ayant en entrées une valeur (9') proportionnelle à la pression captée. 6. Système selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comprend une sonde de température (11), montée en amont de la pompe secondaire (5) contrôlée, captant une température, I'observateur (8) ayant, en entrée, une valeur (12) proportionnelle à la température captée. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de structure turbulente (13), monté en amont de la pompe secondaire (5) contrôlée, quantifiant le degré de turbulence, l'observateur (8) ayant, en entrée, une valeur (14) proportionnelle au degré de turbulence quantifié. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de particules 8, monté en amont et/ou en aval de la pompe secondaire contrôlée, mesurant un niveau de particules, l'observateur ayant en entrée une valeur proportionnelle au nombre de particules dans la canalisation 9. Dispositif de pompage à vide comprenant un groupe de pompage (3) ayant une pompe primaire mécanique (4) et au moins une pompe secondaire (5), une enceinte à vide (1), et des canalisations (2) reliant l'enceinte à vide (1) au groupe de pompage (3), caractérisé en ce qu'il comprend un système de régulation de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10.Dispositif de pompage selon la revendication 9 caractérisé en ce que la pompe secondaire (5), contrôlée simultanément avec la pompe primaire (4), est une pompe turbomoléculaire. 1 1.Dispositif de pompage selon la revendication 10 caractérisé en ce que la pompe secondaire (5), contrôlée simultanément avec la pompe primaire (4), est une pompe de type Roots. 12.Dispositif de pompage selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comprend une pompe turbomoléculaire entre la pompe secondaire (5) contrôlée de type Roots et l'enceinte (1) à vide