Brevet FR2803772A1 — publié le 20010720

La présente invention concerne une installation de distribution d'un gaz ultra pur du type comportant une unité principale d'épuration installée entre une entrée d'alimentation en gaz et une sortie de distribution de gaz ultra pur, et une boucle de dérivation montée en parallèle à la dite unité d'épura tion principale. Dans l'industrie des semi-conducteurs, les gaz ultra purs, et notamment l'hélium ultra pur sont couramment utilisés. Ceux-ci servent notamment lors de la fabrication de circuits intégrés sur des plaquettes de semi-conducteurs. Les gaz ultra purs utilisés sont obtenus à partir de gaz d'une pureté donnée qui circulent avant leur utilisation, au travers d'une unité d'épuration finale. Celle-ci comporte par exemple des moyens d'adsorption cryogénique, ou des moyens d'établissement d'une réaction à haute température avec des alliages métalliques. Lors d'une défaillance de l'unité d'épuration principale, celle-ci est au tomatiquement isolée par un jeu de vannes d'isolements. Ceci conduit à l'arrêt de l'alimentation en gaz ultra pur de l'appareil situé en aval. Du fait de la complexité technologique des unités d'épuration, les dé faillances accidentelles peuvent être nombreuses. Celles-ci sont dues notam ment à une surchauffe du milieu d'épuration dans les purificateurs à réaction à haute température ou à une baisse de pression du fluide cryogénique dans les purificateurs par adsorption cryogénique. Pour éviter un arrêt complet de l'appareil situé en aval de l'installation de distribution de gaz, il a été envisagé de prévoir en parallèle à l'unité d'épu ration, une boucle de dérivation. Lors d'une défaillance de l'unité d'épuration, le gaz transite au travers de la boucle de dérivation, assurant ainsi une alimenta tion de l'appareil situé en aval avec un gaz non-ultra purifié. L'appareil situé en aval peut ainsi fonctionner en mode dégradé, c'est-à-dire avec une alimenta tion en gaz essentiellement pure mais non-ultra purifié, ce dernier n'ayant pas transité au travers de l'unité d'épuration finale. Lors du fonctionnement en mode dégradé de l'appareil situé en aval, il est difficile d'évaluer l'influence de l'utilisation d'un gaz non-ultra pur sur les procédés de fabrication de circuits à semi-conducteurs. En tout état de cause, même si une telle fourniture de gaz non-ultra pur permet d'éviter d'avoir à jeter les circuits en cours de fabrication, il convient après l'évacuation de ceux-ci de procéder à un nettoyage de l'appareil situé en aval afin de s'assurer de l'élimination de toutes les impuretés pouvant être collées aux parois de l'appareil. Une telle intervention nécessite un arrêt prolongé de la production. L'invention a pour but de proposer une installation de distribution d'un gaz ultra pur, permettant, même en cas de défaillance de l'unité d'épuration principale de fournir à l'appareil situé en aval un gaz évitant un arrêt ultérieur de celui-ci pour nettoyage, et ce sans que l'installation de distribution de gaz n'atteigne un coup de fabrication et d'exploitation exorbitant. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de distribution d'un gaz ultra pur, du type précité, caractérisée en ce que ladite boucle de dériva tion comporte une unité auxiliaire d'épuration. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'installation comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - ladite unité auxiliaire d'épuration comporte au moins l'un des élé ments de filtrage choisi dans le groupe consistant en un lit de charbons ac tifs, un tamis moléculaire et un oxyde métallique poreux, tel une hopcalite ; - elle comporte, en amont et en aval de l'unité principale d'épuration, des vannes d'isolement commandées, et l'unité principale d'épuration com porte des moyens de fermeture desdites vannes d'isolement commandées, en cas de détection d'un dysfonctionnement de l'unité principale d'épura tion ; - un détendeur commandé par la pression aval est monté sur la bou cle de dérivation en amont de l'unité de purification auxiliaire , la pression de régulation dudit détendeur étant inférieure à la pression d'alimentation à l'entrée de l'installation ; - une purge normalement ouverte est prévue sur la boucle de dériva tion en amont de l'unité auxiliaire de purification, et elle comporte, pendant les phases d'exploitation de l'unité principale d'épuration, dés moyens de dérivation d'une fraction du gaz issu de l'unité principale d'épuration au tra vers de l'unité de purification auxiliaire de la boucle de dérivation ; - au moins une purge est prévue sur la boucle de dérivation en amont de l'unité de purification auxiliaire ; et - des vannes d'isolement sont prévues sur la boucle de dérivation en amont et en aval de l'unité de purification auxiliaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemples et faite en se référant aux des sins sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique de l'installation selon l'invention ; et - les figures 2 à 5 sont des vues schématiques de l'installation dans des phases particulières de fonctionnement. L'installation 10 de distribution d'un gaz ultra pur est adaptée pour être implantée entre une source 12 d'un gaz pur et un appareil consommateur 14. La source de gaz pur 12 est formée par exemple d'un réservoir ou d'un lot de bouteilles contenant du gaz. L'appareil consommateur 14 est formé par exem ple d'un appareil de fabrication de circuits intégrés à semi-conducteurs com portant une enceinte de travail emplie d'une atmosphère de gaz ultra pur. Dans l'exemple qui suit, le gaz ultra pur considéré est de l'hélium. La source 12 a par exemple une pression d'alimentation de 9 bars ou plus. L'installation de distribution 10 comporte une entrée 16 reliée à la source 12 et une sortie 18 à laquelle est relié l'appareil consommateur 14. Dans toute l'installation, le côté d'un élément orienté vers l'entrée 16 est qualifié de amont alors que le côté orienté vers la sortie 18 est qualifié de aval, même si dans certaines conditions particulières de fonctionnement, le gaz est amené à circuler localement de l'aval vers l'amont. Sur une ligne principale 20 reliant l'entrée 16 à la sortie 18, est montée une unité principale d'épuration 22. En amont et en aval de celle-ci sont pré vues des vannes de sectionnement 24 et 26. Ces vannes sont commandées par les moyens de pilotage de l'unité 22. En particulier, ces derniers compor tent des moyens de détection d'un dysfonctionnement dans l'épuration du gaz et des moyens commandant la fermeture automatique des vannes lors de la détection d'un tel dysfonctionnement. L'unité principale d'épuration 22 est formée par exemple d'un dispositif d'adsorption cryogénique, ou d'un dispositif d'établissement d'une réaction chimique à haute température du gaz circulant avec des alliages métalliques adaptés. Une boucle de dérivation 28 est montée en parallèle à la ligne principale 20. Elle est connectée en amont et en aval respectivement des vannes 24 et 26. La boucle de dérivation 28 comporte une unité secondaire d'épuration 30. En aval de celle-ci est disposé depuis l'entrée 16 une vanne de sectionne ment 32, un régulateur de pression ou détendeur 34 commandé par la pres sion aval et une vanne 36 munie en amont d'une purge 38. Le régulateur de pression 34 est réglé à une pression de consigne inférieure à la pression d'alimentation et par exemple à 8 bars En outre, en aval de l'unité d'épuration auxiliaire 30 est prévue une vanne de sectionnement 40 munie d'une purge amont 42 et d'une purge aval 44. En aval de la vanne 40 est montée une vanne de sectionnement 46 en aval de laquelle la boucle de dérivation 28 rejoint la ligne principale 20. La ligne principale 20 comporte en aval du point de connexion de la boucle de dérivation 28, un régulateur de pression ou détendeur 48 comman dé par la pression aval et un filtre 50. Le régulateur 48 est réglé à une pression de consigne fixée par l'appareil consommateur 14. Cette pression est infé rieure à la pression de consigne du régulateur 34 et est par exemple fixée à 7 bars. L'unité d'épuration auxiliaire est formée avantageusement d'une unité simple et de coup réduit assurant la dégradation ou la retenue des principaux contaminants contenus dans le gaz, tels que l'eau et les hydrocarbures lourds. Avantageusement, cette unité .assure également la retenue de l'oxygène, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone. Cette unité d'épuration auxiliaire est par exemple constituée d'une car touche comportant un lit de charbons actifs pour la retenue des hydrocarbures. Avantageusement elle comporte en outre un lit constitué d'un tamis molécu laire pour la retenue de l'eau et du dioxyde de carbone. Ce tamis moléculaire est par exemple une zéolite 5A ou 13X. Avantageusement, la cartouche comporte aussi un lit de retenue de l'oxygène et du dioxyde de carbone. Ce lit est constitué par un oxyde métalli- que poreux qui comprend un oxyde mixte de cuivre et de manganèse tel une hopcalite. Le fonctionnement de l'installation est décrit dans la suite de la descrip tion en regard des figures 2 à 5. Sur ces figures, le sens de circulation du gaz est indiqué par des flèches. Le fonctionnement normal de l'installation de distribution d'hélium est il lustré sur la Figure 2. Dans ce mode de fonctionnement, de l'hélium à purifier est fourni sous une pression de 9 bars à l'entrée 16 de l'installation. Les van nes de purge 42 et 44 sont fermées, alors que toutes les autres vannes de l'installation sont ouvertes. L'hélium issu de la source 12 circule au travers de l'unité principale d'épuration 22. Une fraction principale de l'hélium ainsi ultrapurifié est achemi née jusqu'à l'appareil consommateur 14 au travers du régulateur 48 et du filtre 50. Une fraction complémentaire, très réduite par rapport à la fraction prin cipale chemine dans la boucle de dérivation 28 depuis l'extrémité aval de celle-ci. Après avoir traversé les vannes 46 et 40, l'hélium ultra purifié assure une purge à contre-courant de l'unité secondaire d'épuration 30. En sortie de celle-ci, l'hélium est évacué au travers de la vanne de purge 38. La fraction complémentaire du gaz ultrapurifié assurant la purge de l'unité secondaire d'épuration 30 a un débit fixé par le diamètre de sortie de la vanne de purge 38. Ce diamètre est très réduit, notamment par rapport aux moyens d'acheminement du gaz ultrapurifié vers l'appareil utilisateur 14. Avantageusement, la fraction complémentaire de gaz ultrapurifié servant à purger l'unité secondaire de purification est compris entre 0,5 et 5 % de la frac tion principale acheminée vers l'appareil consommateur 14. Comme la fraction complémentaire est très faible, la perte de charge résultant de la circulation de cette fraction complémentaire au travers de la boucle de dérivation 18 est très faible. De même, par construction, l'unité cen trale de purification a une très faible perte de charge. Ainsi, la pression en aval du régulateur 34 est sensiblement égale à la pression du gaz en sortie de la source 12, c'est-à-dire 9 bars. Ainsi, en fonctionnement normal de l'installation, le régulateur 34 est maintenu constamment fermé, évitant la circulation de l'hélium de l'amont vers l'aval à l'intérieur de la boucle de dérivation 28. Ainsi, lors du fonctionnement normal de l'installation, l'unité secondaire d'épuration 30 est continuellement purgée avec du gaz purifié, évitant ainsi une lente saturation de ses organes actifs par une fuite au travers du régula teur de pression qui est normalement fermé. Sur la figure 3 est représenté l'état des différentes vannes de l'installa tion, lors d'un dysfonctionnement de l'unité d'épuration principale 22. Lors de la détection d'un tel dysfonctionnement, les moyens de com mande de l'unité d'épuration principale 22 provoquent automatiquement la fermeture des vannes de sectionnement 24 et 26, isolant ainsi l'unité d'épura tion principale du reste de l'installation d'alimentation. Les autres vannes sont maintenus dans le même état que celui où elles se trouvent lors d'un fonction nement normal de l'installation. Du fait de l'arrêt de la circulation du gaz au travers de la ligne principale 20, immédiatement après la fermeture des vannes 24 et 26, la pression en aval du régulateur 34 chute, ce qui provoque son ouverture. Ainsi, le gaz issu de la source d'alimentation 12 est dévié automatiquement au travers de la boucle de dérivation 28. Le gaz subit ainsi un traitement de purification au tra vers de l'unité de purification secondaire 30. Le gaz ainsi purifié est acheminé jusqu'à l'appareil consommateur 14. La faible fuite de gaz, prenant naissance au travers de la vanne de purge 38, ne crée qu'une très faible déperdition de gaz, non préjudiciable à l'alimentation de l'appareil consommateur 14. Dans ce mode de fonctionnement, bien que l'unité d'épuration princi pale 22 soit défaillante, l'appareil consommateur est alimenté avec un gaz n'ayant pas été à proprement parler ultrapurifié, mais dont la pureté est supé rieure à celle du gaz stocké dans le réservoir 12, cette pureté étant suffisante pour permettre un fonctionnement satisfaisant de l'appareil consommateur 14 pendant une période réduite correspondant au temps nécessaire à une inter vention corrective sur l'unité d'épuration principale 22. Ainsi, l'appareil de production 14 peut continuer à fonctionner sans qu'il soit nécessaire de procéder à un nettoyage complet de celui-ci lors de la re mise en route de l'unité principale d'épuration 22. Les modes de fonctionnement décrits en regard des figures 4 et 5 cor respondent à des modes de fonctionnement transitoires, rencontrés notam ment lors de la mise en route ou lors d'une modification de l'installation de dis tribution de gaz. Plus précisément, le mode de fonctionnement de la figure 4 correspond à une purge initiale de toute l'installation, hormis dans la région de celle-ci comportant l'unité secondaire d'épuration 30. Dans ce mode de fonctionnement, l'ensemble des vannes sont ouver tes à l'exception des vannes 36 et 40 prévues de part et d'autre de l'unité se condaire de purification 30. Ainsi, la partie amont de la boucle de dérivation 28, prévue en amont de l'unité de purification secondaire 30, est balayée par du gaz issu de la source 12. Ce gaz est évacué au travers de la vanne de purge ouverte 38. Le régula teur 34 est ouvert du fait de la faible pression régnant en aval de celui-ci. De même, l'unité principale de purification 22 étant en fonctionnement, le gaz issu de celle-ci circule à contre-courant au travers de la partie de la bouche de dérivation 28, située en aval de l'unité d'épuration secondaire 30. Le gaz ultrapurifié est alors évacué au travers de la vanne de purge ouverte 44. On comprend que, dans ce mode de fonctionnement, les deux parties de la boucle de dérivation 28 s'étendant respectivement en amont et en aval de l'unité secondaire d'épuration 30 sont balayées par du gaz issu de la source 12, produisant ainsi un nettoyage de ces tronçons de circuit. Par ailleurs, sur la figure 5 est représenté un mode de fonctionnement permettant la qualification de l'unité secondaire de purification. Dans cette configuration, la vanne de sectionnement 24 est fermée, conduisant à ce que l'ensemble du gaz provenant de la source 12 soit dirigée dans la boucle de dérivation 28. De même, le régulateur 34 est maintenu ou vert de manière forcée, la vanne 36 étant également ouverte. Au contraire, la vanne de sectionnement 40 est fermée, la vanne de purge amont associée 42 étant ouverte. Dans cette configuration, le gaz issu de la source 12 circule dans la dé rivation et notamment au travers de l'unité d'épuration secondaire 30. La tota lité du gaz ainsi purifié est évacuée au travers de la vanne de purge 42 à la sortie de laquelle sont installés des moyens d'analyse de gaz permettant d'évaluer les performances de l'unité d'épuration secondaire 30 et de qualifier celle-ci. II est à noter que quel que soit l'état de fonctionnement de l'installation, la vanne de purge 38 est maintenue ouverte, ce qui permet qu'en cas d'une faible fuite pouvant prendre naissance au sein du régulateur 34, normalement en position fermée, la fraction de gaz de fuite puisse être évacuée au travers de cette vanne de purge ouverte formant une mise à l'air. Le débit ainsi évacué étant très faible, cette mise à l'air n'est pas préjudiciable au rendement de l'installation. REVENDICATIONS 1.- Installation de distribution d'un gaz ultra pur du type comportant une unité principale d'épuration (22) installée entre une entrée (16) d'alimentation en gaz et une sortie (18) de distribution de gaz ultra pur, et une boucle de dérivation (28) montée en parallèle à la dite unité d'épuration principale (22), caractérisée en ce que la dite boucle de dérivation (28) com porte une unité auxiliaire d'épuration (30). 2.- Installation de distribution selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite unité auxiliaire d'épuration (30) comporte au moins l'un des éléments de filtrage choisi dans le groupe consistant en un lit de charbons actifs, un tamis moléculaire et un oxyde métallique poreux, tel une hopcalite. 3.- Installation de distribution selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte, en amont et en aval de l'unité principale d'épuration (22), des vannes d'isolement commandées (24, 26), et en ce que l'unité principale d'épuration (22) comporte des moyens de fermeture desdites vannes d'isolement commandées (24, 26), en cas de détection d'un dysfonctionnement de l'unité principale d'épuration (22). 4.- Installation de distribution selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce qu'un détendeur (34) commandé par la pression aval est monté sur la boucle de dérivation (28) en amont de l'unité de purification auxiliaire (30), la pression de régulation dudit déten deur (34) étant inférieure à la pression d'alimentation à l'entrée de l'installa tion. 5.- Installation de distribution selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce qu'une purge (38) normalement ou verte est prévue sur la boucle de dérivation (28) en amont de l'unité auxi liaire de purification (30), et en ce qu'elle comporte, pendant les phases d'exploitation de l'unité principale d'épuration (22), des moyens de dérivation d'une fraction du gaz issu de l'unité principale d'épuration (22) au travers de l'unité de purification auxiliaire (30) de la boucle de dérivation. 6.- Installation de distribution selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une purge (42, 44) est prévue sur la boucle de dérivation (28) en aval de l'unité de purification auxi liaire (30). 7.- Installation de distribution selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce que des vannes d'isolement (36, 40) sont prévues sur la boucle de dérivation (28) en amont et en aval de l'unité de purification auxiliaire (30).