Brevet FR2800754A1 — publié le 20010511

Dispositif évaporateur d'une installation de dépôt chimique en phase vapeur. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif évaporateur d'une installation de dépôt chimique en phase vapeur CVD, comprenant: - une tête d'admission équipée au moins d'un injecteur ayant une entrée d'admission de précurseurs liquides ou en solution, - un circuit de commande de l'injecteur pour injecter périodiquement dans une chambre d'évaporation des gouttelettes de volume prédéterminé des précurseurs liquides, ou de la solution, - des moyens d'injection d'un gaz vecteur dans ladite chambre d'évaporation, - des moyens de chauffage destinés à chauffer la chambre d'évaporation pour assurer le changement d'état liquide/vapeur des précurseurs liquides, ou du mélange solvants et précurseurs, - et une tubulure de sortie destinée à envoyer les précurseurs injectés vaporisés vers un réacteur de l'installation de dépôt chimique CVD. Le réacteur CVD est généralement équipé d'un système de pompage ou d'un évent pour créer un flux de vapeurs vers le réacteur. Etat de la technique Le document FR-A-2707671 décrit un procédé et un dispositif d'introduction de précurseurs dans une enceinte de dépôt chimique en phase vapeur CVD. L'enceinte de dépôt est divisée en deux parties par un matériau poreux. La partie supérieure constitue l'évaporateur, et la partie inférieure à plus haute température forme la chambre de dépôt. Le séparateur poreux est réalisé en paille d'acier, qui laisse passer le flux gazeux, et éventuellement des gouttelettes non vaporisées par l'évaporateur. Or, il est primordial dans les procédés CVD que l'intégralité du liquide injecté soit évaporé avant d'entrer dans la chambre de dépôt. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif d'évaporation perfectionné permettant d'obtenir une volatilisation optimum des précurseurs liquides ou en solution après la phase d'injection. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que la chambre d'évaporation renferme des moyens de déviation agencés pour que la distance parcourue par les gouttelettes et les vapeurs des précurseurs soit supérieure à la distance en ligne droite entre le nez de l'injecteur et la tubulure de sortie. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de déviation de précurseurs liquides sont formés par des chicanes à l'intérieur d'un tube subdivisé en une pluralité de canaux élémentaires pour augmenter le trajet et la surface de chauffage dans la chambre d'évaporation. Le tube peut être en matériau métallique, notamment en acier inoxydable, ou en verre ou en quartz. Selon un mode de réalisation préférentiel, les canaux s'étendent parallèlement entre eux dans la direction axiale du tube, et comportent aux extrémités des pièces de guidage pour inverser la circulation, notamment dans le sens ascendant et le sens descendant. Des moyens de chauffage entourent coaxialement la surface latérale du tube pour délimiter une zone de chauffage isolée thermiquement de l'extérieur par une enveloppe tubulaire en matériau isolant thermique. L'enveloppe est constituée avantageusement par l'accolement de deux demi-coquilles semicylindriques, ayant chacune une surface interne de réception d'une résistance électrique s'étendant sur toute 1 0 la hauteur du tube. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tête d'admission comporte - au moins un orifice dans la partie centrale pour l'introduction de l'injecteur, - une saignée annulaire agencée autour de l'orifice pour l'injection du gaz 1 5 vecteur simultanément avec l'injection du liquide, - et des moyens de refroidissement de l'injecteur, notamment par circulation d'eau ou de fluide caloporteur, dans une gorge annulaire de la tête d'admission, ou par soufflage d'air directement sur l'injecteur. Pour certaines applications, il peut être intéressant de maintenir l'injecteur à une température prédéterminée, par exemple inférieure à 100 C, en faisant circuler un fluide thermalisé à la place du fluide de refroidissement. La saignée est alimentée en gaz vecteur par un carter, et comporte dans le fond des trous traversant la tête d'admission, et répartis uniformément sur toute la circonférence pour former une gaine annulaire de gaz vecteur autour du jet liquide injecté par l'injecteur. Selon une variante, la saignée communique par des passages avec un espace annulaire disposé autour du nez de l'injecteur, et des orifices sont prévus dans le corps de l'injecteur. Le gaz traverse le corps de l'injecteur, et est injecté sous forme d'une gaine annulaire grâce à une gorge entourant les trous d'injection du liquide. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est vue en coupe longitudinale du dispositif évaporateur selon 1 0 I'invention, lequel est équipé de trois injecteurs; - la figure 2 montre une vue en coupe à échelle agrandie de la tête d'admission dotée d'un seul injecteur; - la figure 3 représente une vue de dessus à échelle agrandie selon la ligne 3-3 de la bride d'injection de la figure 1; 1 5 la figure 4 représente une vue de dessous à échelle agrandie selon la ligne 4-4 de la bride d'injection de la figure 1; - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne 5-5 de la figure 1; - la figure 6 est une vue identique de la figure 2 d'une variante de réalisation; - les figures 7 et 8 sont des vues en élévation et en plan du four tubulaire de chauffage du dispositif évaporateur. Description d'un mode de réalisation préférentiel En référence aux figures 1 à 5, un dispositif évaporateur 10 d'une installation de dépôt chimique de couches minces en phase vapeur CVD, comporte une tête d'admission 12 raccordée à une tubulure de sortie 14 à travers une chambre d'évaporation 16 sous vide ou à pression atmosphérique. La tête d'admission 12 est équipée d'au moins un injecteur 18 ayant une entrée 20 reliée à un réservoir 22 extérieur rempli de précurseurs liquide 24 ou en solution. La pression dans le réservoir 22 est supérieure à celle présente dans chambre d'évaporation 16, et chaque injecteur 18 envoie périodiquement des quantités prédéterminées de liquide 24 à l'intérieur de la chambre d'évaporation 16, dans laquelle s'effectue le changement d'état liquide/vapeur. L'injecteur 18 est formé par une électrovanne pilotée à l'ouverture et à la fermeture par un circuit de commande 26 à microprocesseur branché à un connecteur 28 de l'électrovanne. Le liquide injecté peut être un liquide pur ou un mélange de solvant et de soluté. Le volume de liquide injecté est parfaitement contrôlé par le circuit de commande 26, et est reproductible. 1 0 La figure 2 montre une tête d'admission 12 à un seul injecteur 18 s'étendant dans la direction longitudinale au-dessus de la chambre d'évaporation 16 cylindrique. Le nez 30 de l'injecteur 18 envoie un jet de liquide JL dirigé coaxialement dans la chambre d'évaporation 16. 1 5 Dans l'exemple de réalisation des figures 1, 3 et 4, la tête d'admission 12 comporte trois injecteurs 18 montés à inclinaison dans la partie centrale d'une bride 32 cylindrique. Les trois jets de liquide JL convergent vers la partie centrale à l'entrée de la chambre d'évaporation 16. L'angle d'inclinaison des injecteurs 18 par rapport à l'axe longitudinal peut être compris entre 0 et 90 . La tubulure de sortie 14 est prévue pour être raccordée par une ligne chauffée à un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur CVD (non représenté), lequel est équipé d'un système de pompage ou d'un évent permettant d'engendrer un flux de vapeurs du dispositif évaporateur 10 vers le réacteur. Dans le réacteur est placé un substrat sur lequel doit s'effectuer le dépôt. L'agencement du dispositif évaporateur 10 permet d'assurer l'évaporation totale du liquide injecté avant l'échappement final par la tubulure de sortie 14. La chambre d'évaporation 16 est munie à cet effet de moyens de déviation pour que la distance parcourue par les gouttelettes ou les vapeurs soit supérieure à la distance en ligne droite entre le nez 30 de l'injecteur 18 et la tubulure de sortie 14. La chambre d'évaporation 16 est formée à titre d'exemple par un tube 34 métallique en acier inoxydable, subdivisé par usinage en une pluralité de canaux internes 36, 38, 40, 42, 44 s'étendant dans la direction longitudinale du tube. Le liquide est injecté depuis chaque injecteur 18 dans le canal central 36, et les gouttelettes et les vapeurs descendent (flèche F1, figures 1 et 5) en cours d'évaporation jusqu'à la partie inférieure o elles sont déviées par une première pièce de guidage 46 vers deux canaux voisins 38, 44. Apres la remontée (flèche F2) jusqu'à la partie supérieure, elles sont déviées à nouveau par une deuxième pièce de guidage 48 pour emprunter les deux autres canaux 40, 42 dans le sens descendant (flèche F3) jusqu'à la tubulure de sortie 14. Un tel chemin en chicane permet d'augmenter le trajet et la surface de chauffage dans la chambre d'évaporation 16. Le volume des cinq canaux 36, 38, 40, 42, 44 du tube 34 permet d'atténuer au niveau du réacteur CVD les effets d'augmentation de pression dans la chambre d'évaporation 16 dus à l'évaporation du liquide. Il est clair que la chambre d'évaporation 16 peut être réalisée avec d'autres matériaux, notamment des tubes en verre ou en quartz soudés entre eux. L'effet d'évaporation du liquide peut également être augmenté en disposant dans les canaux 36, 38, 40, 42, 44, une pluralité de grilles métalliques ou de plaquettes de verre fritté poreux, s'étendant parallèlement entre elles et selon une direction perpendiculaire au flux de liquide et vapeurs. La présence de ces grilles ou plaquettes additionnelles le long du trajet de circulation du liquide diminue la taille des gouttelettes du liquide, et augmente la surface chauffée de la chambre d'évaporation 16. Le dispositif évaporateur 10 comporte de plus des moyens de chauffage 50 logés dans une enveloppe 52 tubulaire en matériau isolant thermique entourant coaxialement la surface latérale du tube 34. Sur les figures 7 et 8, I'enveloppe 52 est constituée par l'accolement de deux demicoquilles 52a, 52b de sections semi-cylindriques, ayant chacune une surface interne de réception d'une résistance électrique 50a, 50b s'étendant sur toute la hauteur du dispositif évaporateur 10. Les deux résistances 50a, 50b des moyens de chauffage 50 peuvent être connectées en série ou en parallèle en fonction de la puissance électrique souhaitée. Le dispositif évaporateur 10 comprend de plus une paire de thermocouples 54, 56 logés dans l'enveloppe 52 pour 1 0 capter la température en deux endroits de la chambre 16. Le thermocouple 56 placé à l'intérieur du tube, sert à réguler la température de dispositif évaporateur 10. L'autre thermocouple 54 permet de surveiller la température de la résistance 50. 1 5 L'agencement coaxial des deux demi-coquilles 52a, 52b du four autour de la chambre d'évaporation 16 permet d'obtenir un ensemble compact, et facilement démontable lors des opérations de nettoyage, notamment de la chambre d'évaporation 16. La totalité de la zone de chauffage autour du tube 34 est isolée thermiquement du milieu extérieur par l'enveloppe 52 de manière à augmenter le rendement thermique du système. Avec une seule zone de chauffage, on obtient ainsi un gradient de température positif le long du parcours des vapeurs, lequel s'établit depuis le coeur de la chambre d'évaporation 16 dans le canal 36, vers les canaux externes 38, 40, 42, 44. Le chauffage du liquide ne doit intervenir qu'à partir du moment o il a été injecté dans la chambre d'évaporation 16. Il suffit de prévoir des moyens de refroidissement de chaque injecteur 18, soit par l'intermédiaire d'un circuit de refroidissement 58 à eau ou à fluide caloporteur, soit par l'action d'un ventilateur (non représenté) soufflant de l'air vers le bride 32. Sur les figures 2 à 4, la bride 32 de la tête d'admission 12 est dotée à cet effet d'une gorge 60 annulaire agencée autour des orifices 62 de réception des injecteurs 18. La gorge 60 est reliée par des canalisations 64 au circuit de refroidissement 58 de manière à refroidir les injecteurs 18. Les orifices 62 traversent toute l'épaisseur de la bride 32, et les injecteurs 18 sont introduits dans les orifices 62 avec interposition d'un joint d'étanchéité 66. Lors du passage du fluide de refroidissement dans la gorge 60, les injecteurs 18 restent froids. 1 0 Pour éviter toute condensation des produits évaporés sur une zone froide à l'intérieur de la chambre d'évaporation 16, un gaz vecteur est envoyé dans cette dernière simultanément avec l'injection de liquide. Le circuit de gaz comporte une saignée 68 annulaire ménagée dans la bride 32 entre la gorge et les orifices 62. Le fond de la saignée 68 communique avec la chambre 1 5 d'évaporation 16 par des trous 70 répartis uniformément sur toute la circonférence de l'anneau pour l'injection de jets JG de gaz vecteur. L'alimentation en gaz de la saignée 68 s'effectue par une conduite 72 raccordée à un carter 74 rempli de gaz. Une gaine annulaire de gaz est ainsi présente autour du jet de liquide JL injecté par l'injecteur 18 de la figure 2 ou par les trois injecteurs 18 des figures 3 et 4. Un couvercle 76 est rapporté sur la bride 32 avec interposition de trois joints d'étanchéité 78, 80, 82 entre la gorge 60, la saignée 68 et les orifices 62. L'injection simultanée du liquide et du gaz vecteur dans la chambre d'évaporation 16, permet une évaporation optimum et un transport efficace des vapeurs des précurseurs jusqu'à la zone de dépôt dans le réacteur. Pour des procédés spécifiques, la ligne de gaz peut être chauffée en amont de la conduite 72, et le gaz vecteur arrive dans la chambre d'évaporation 16 soit à la température ambiante, soit à une température supérieure. Selon la variante de la figure 6, I'injecteur 18 sert à injecter simultanément le gaz et le liquide sans les mélanger. La saignée 68 du circuit de gaz est connectée par des passages 84 à un espace 86 annulaire agencée autour du nez de l'injecteur 18. Des orifices 88 sont prévus dans le corps de l'injecteur 18 pour permettre au gaz de rentrer à l'intérieur de l'injecteur 18. Le nez 30 de l'injecteur 18 envoie alors deux jets combinés de liquide et de gaz dans la chambre d'évaporation 16. Selon une variante (non représentée), I'injecteur ou les injecteurs 18 ne sont pas placés à la partie supérieure tête d'admission 12, mais sur le côté. Des plaques de déviation sont prévues dans la chambre d'évaporation pour assurer un trajet en zig-zag des précurseurs gazéifiés. Revendications 1. Dispositif évaporateur d'une installation de dépôt chimique en phase 1 5 vapeur CVD, comprenant: -une tête d'admission (12) équipée au moins d'un injecteur (18) ayant une entree (20) d'admission de précurseurs liquides (24) ou en solution, -un circuit de commande (26) de l'injecteur (18) pour injecter périodiquement dans une chambre d'évaporation (16) des gouttelettes de volume prédéterminé des précurseurs liquides (24), - des moyens d'injection (74, 72, 68) d'un gaz vecteur dans ladite chambre d'évaporation (16), - des moyens de chauffage (50) destinés à chauffer la chambre d'évaporation (16) pour assurer le changement d'état liquide/vapeur des précurseurs liquides (24), ou de la solution de solvant et de précurseurs, - et une tubulure de sortie (14) destinée à envoyer les précurseurs injectés vaporisés vers un réacteur de l'installation de dépôt chimique CVD, caractérisé en ce que la chambre d'évaporation (16) renferme des moyens de déviation agencés pour que la distance parcourue par les gouttelettes et les vapeurs des précurseurs soit supérieure à la distance en ligne droite entre le nez (30) de l'injecteur (18) et le tubulure de sortie (14). 2. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déviation de précurseurs liquides (24) sont formés par des chicanes à l'intérieur d'un tube (34) subdivisé en une pluralité de canaux (36, 38, 40 42, 44) élémentaires pour augmenter le trajet et la surface de chauffage dans la chambre d'évaporation (16). 3. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube (34) est en matériau métallique, notamment en acier inoxydable. 4. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (34) peut être réalisé en verre ou en quartz. 5. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les canaux (63, 38, 40 42, 44) s'étendent parallèlement entre eux dans la direction longitudinale du tube, et comportent aux extrémités des pièces de guidage (46, 48) pour inverser la circulation, notamment dans le sens ascendant et le sens descendant. 6. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (50) entourent coaxialement la surface latérale du tube (34) pour délimiter une zone de chauffage isolée thermiquement de l'extérieur par une enveloppe (52) tubulaire en matériau isolant thermique. 7. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe (52) en matériau isolant thermique est constituée par l'accolement de deux demi-coquilles (52a, 52b) semi-cylindriques, ayant chacune une surface interne de réception d'une résistance électrique (50a, b) s'étendant sur toute la hauteur du tube (34). 8. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête d'admission (12) comporte: - au moins un orifice (62) dans la partie centrale pour l'introduction de l'injecteur (18), - une saignée (68) annulaire agencée autour de l'orifice (62) pour 1 0 I'injection du gaz vecteur simultanément avec l'injection du liquide, - et des moyens de refroidissement de l'injecteur (18), notamment par circulation d'eau ou de fluide caloporteur, dans une gorge (60) annulaire de la tête d'admission (12), ou par soufflage d'air directement sur l'injecteur (18). 9. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la saignée (68) est alimentée en gaz vecteur par un carter (74), et comporte dans le fond des trous (70) traversant la tête d'admission (12), et répartis uniformément sur toute la circonférence pour former une gaine annulaire de gaz vecteur autour du jet liquide injecté par l'injecteur (18). 10. Dispositif d'évaporateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la saignée (68) communique par des passages (84) avec un espace (86) annulaire disposé autour du nez de l'injecteur (18), et que des orifices (88) sont prévus dans le corps de l'injecteur (18) pour permettre au gaz d'être injecté par l'injecteur (18), mais dans un circuit indépendant de celui du liquide.