Brevet FR2816519A1 — publié le 20020517

Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur à chauffage par lampes à rayonnement électromagnétique, et four de traitement équipé d'un tel dispositif. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif d'injection de gaz dans un réacteur, notamment d'une installation de recuit thermique rapide RTP ou de dépôt chimique en phase vapeur CVD, comprenant une chambre de réaction à enceinte étanche munie d'un hublot en matériau transparent laissant passer un rayonnement électromagnétique émis par des lampes de chauffage, le gaz neutre ou réactif étant injecté par des moyens de pulvérisation sur toute la surface d'un substrat soumis audit rayonnement. Il est classique de faire usage de lampes UV et/ou IR agencées en face du substrat dans un compartiment possédant un réflecteur et séparé de l'enceinte de la chambre de réaction par un hublot en quartz. Le système d'injection de gaz réactifs qui se trouve entre les lampes UV et/ou IR et le substrat, doit permettre d'obtenir une pulvérisation uniforme des gaz réactifs sur la surface du substrat sans masquer le rayonnement électromagnétique émis par les lampes. Etat de la technique Les documents US-A-5156820 et US-A-5781693 décrivent des réacteurs faisant usage de deux hublots en quartz séparés l'un de l'autre par un canal d'injection du gaz réactif. Le premier hublot situé du côté des lampes sépare de façon étanche le compartiment des lampes et la chambre de réaction. Le deuxième hublot en regard du substrat est percé de trous pour assurer la répartition du gaz en provenance du canal d'injection intercalaire. La présence des deux hublots en quartz nécessite des moyens d'étanchéité entre les interfaces accolés, ce qui complique la mise en oeuvre du réacteur. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif séparé d'injection multi-zones de gaz pour un réacteur évitant tout effet de masquage du rayonnement des lampes à travers le hublot. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte : - une pluralité de rampes d'injection disposées concentriquement dans une couronne de pulvérisation annulaire s'étendant à l'intérieur de l'enceinte en regard du hublot, chaque rampe étant équipée d'orifices à diamètres calibrés pour diriger des jets de gaz sur le substrat selon des directions prédéterminées en laissant passer le rayonnement à travers la cavité centrale de la couronne, - et une colonne de distribution raccordée à la couronne pour l'alimentation desdites rampes depuis un circuit extérieur d'entrée de gaz. Selon une caractéristique de l'invention, les orifices des rampes d'injection sont orientés selon des angles aigus par rapport au plan du substrat. Préférentiellement, les rampes d'injection sont coplanaires avec une disposition parallèle au substrat, l'inclinaison des orifices de la rampe interne étant plus prononcée que celle des orifices de la rampe externe. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couronne de pulvérisation est recouverte d'une plaque thermorégulée, laquelle est agencée en couvercle au-dessus des rampes d'injection. A titre d'exemple, des résistances sont connectées électriquement à une source d'énergie électrique réglable permettant de porter ladite plaque à une température prédéterminée. La couronne de pulvérisation peut être formée par un corps métallique, notamment en acier inoxydable ou en aluminium. La paroi interne de la couronne peut être réfléchissante de manière à mieux concentrer le rayonnement lumineux sur le substrat. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couronne de pulvérisation est formée par un corps en céramique dans lequel circule un fluide caloporteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couronne de pulvérisation est ajustable en hauteur par rapport à la surface du substrat et au hublot en fonction de la répartition contrôlée des gaz précurseurs vers les zones définies du substrat. Les débits de gaz injectés à travers les différentes rampes peuvent être ajustés individuellement par l'intermédiaire de vannes commandées depuis le circuit extérieur. 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 une vue schématique du réacteur équipé du dispositif d'injection de gaz selon l'invention ; - la figure 2 montre une vue en plan à échelle agrandie du dispositif d'injection de gaz de la figure 1 ; - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale du dispositif d'injection de gaz. Description d'un mode de réalisation préférentiel En référence aux figures 1 à 3, un four 10 de chauffage d'un substrat 12 à traiter, comporte une chambre de réaction 14 ou réacteur, ayant une enceinte 16 étanche munie d'un hublot 18 monobloc, lequel est réalisé en un matériau transparent, par exemple en quartz, laissant passer le rayonnement lumineux RL émis depuis l'extérieur par des lampes 20 de chauffage IR à infrarouge, ou UV à ultraviolet. Les lampes 20 sont logées dans un carter 21 équipé avantageusement d'un réflecteur pour canaliser le rayonnement lumineux RL émis à travers le hublot 18. L'enceinte 16 de la chambre de réaction 14 est en acier inoxydable à double paroi refroidie, et à atmosphère contrôlée. Un système de pompage 22 extérieur est raccordé d'une manière classique à la chambre de réaction 14 pour travailler à la pression atmosphérique ou abaisser la pression interne jusqu'à des vides secondaires. Un flux de gaz 24, pouvant être neutre, réactif ou un mélange de gaz, est introduit par un dispositif d'injection 26 dans la chambre de réaction 14 pour provoquer des traitements sous atmosphère inerte ou réactive, de manière à modifier les propriétés physico-chimiques du matériau agencé sur le substrat 12, ou à réaliser un dépôt du matériau sur ledit substrat 12. Le dispositif d'injection 26 de gaz est disposé à l'intérieur de la chambre de réaction 14 dans l'intervalle ménagé entre le hublot 18 monobloc et la face supérieure du substrat 12. La face inférieure du substrat 12 prend appui sur des moyens de support (non représentés sur la figure 1). Le dispositif d'injection 26 comporte une couronne de pulvérisation 28 alimentée par une colonne de distribution 30 en liaison par des tubulures 31 avec un circuit extérieur 32 d'entrée de gaz. La couronne de pulvérisation 28 cylindrique présente une cavité 34 creuse annulaire disposée en regard du hublot 18, et ayant un diamètre interne voisin de celui du substrat 12, de manière à ne pas masquer le passage du rayonnement électromagnétique nécessaire pour activer les réactions chimiques à la surface du substrat 12. Trois rampes d'injection 36,38, 40 circulaires sont usinées dans le corps métallique de la couronne de pulvérisation 28 avec une disposition coplanaire concentrique. Des d'orifices 42 sont percés dans chaque rampe d'injection 36,38, 40 en étant décalés selon des intervalles angulaires réguliers, et ayant des diamètres calibrés ainsi que des orientations variables vers la surface du substrat 12. Le corps métallique de la couronne 28 peut être en acier inoxydable ou en aluminium. Selon une variante, le corps peut également être réalisé en quartz ou dans une autre matière céramique. L'inclinaison des orifices 42 de la rampe interne 40 est plus prononcée que celle des orifices 42 de la rampe externe 36. On remarque sur la figure 3 que les jets de gaz JG1 émis par les orifices 42 de la rampe interne 40 sont dirigés vers le centre du substrat 12, tandis que les jets de gaz JG2 issus des orifices 42 de la rampe externe 36 sont envoyés vers la périphérie du substrat 12. La partie intermédiaire du substrat 12 est balayée par les jets de gaz JG3 en provenance de la rampe 38 intercalaire. La totalité de la surface du substrat 12 est ainsi soumise à une projection uniforme de gaz, et avec un rayonnement électromagnétique optimum traversant la cavité 34 après passage à travers le hublot 18. La colonne de distribution 30 rectiligne est raccordée par son extrémité à la couronne de pulvérisation 28, et renferme des canalisations 44 d'alimentation des rampes d'injection 36,38, 40 depuis le circuit extérieur 32 d'entrée de gaz. Les débits de gaz injectés à travers les différentes rampes 36,38, 40 peuvent être ajustés individuellement par l'intermédiaire de vannes 46 commandées disposées sur le circuit extérieur 32 d'entrée de gaz. Des moyens complémentaires 48 de réglage du débit de gaz peuvent être intégrés en plus au niveau des canalisations 44 de la colonne de distribution 30. Il en résulte une répartition contrôlée et reproductible des gaz précurseurs vers des zones définies du substrat 12. A titre d'exemple, pour éviter les effets de condensation sur des surfaces métalliques froides, la circulation et pulvérisation de gaz dans le dispositif d'injection 26 s'effectue à chaud grâce à une plaque chauffante 50 thermorégulée, laquelle est agencée en couvercle plaqué en bon contact avec la couronne de pulvérisation 28. La plaque chauffante 50 présente une forme annulaire complémentaire à celle de la couronne 28, et renferme des résistances 52 de chauffage connectées électriquement à une source d'énergie électrique réglable permettant de porter la plaque 50 à une température prédéterminée. En fonction du matériau utilisé pour réaliser le dispositif d'injection 26 de gaz, il est possible de remplacer les résistances 52 de la plaque chauffante 50 par tout autre moyen de chauffage ou de refroidissement thermorégulé, notamment une circulation de fluide caloporteur. La paroi interne de la cavité 34 peut être avantageusement réfléchissante de manière à mieux concentrer le rayonnement lumineux sur le substrat 12. Le positionnement relatif en hauteur du dispositif d'injection 26 de gaz par rapport à la surface du substrat 12 et au hublot 18, est avantageusement ajustable en hauteur en fonction de la répartition contrôlée des gaz précurseurs vers les zones définies du substrat 12. Le dispositif d'injection 26 multi-zones de gaz selon les figures 1 à 3, peut être utilisé dans de nombreuses applications de recuit thermique rapide RTP ou de dépôt dans un réacteur CVD mis sous pression réduite ou atmosphérique. Le dépôt peut être effectué par chauffage avec des lampes IR dans un réacteur de traitements thermiques rapides RT-CVD. Le dépôt peut aussi être assisté au moyen d'un rayonnement à ultra-violet émis par des lampes UV, afin de réduire la température de chauffage du substrat 12. Les lampes UV peuvent être classiques (xénon, mercure, deutérium), ou du type excimers, constitués par : Arz*, Krz*. Xes*, Fs*, C*, Br2*, 12* ArF*, ArCI*, KrCI*, XeCI*, HgNe*, HgAr*, HgKr*, HgXe*.. L'action combinée des deux types de lampes UV et IR est également possible dans le même réacteur, le substrat 12 reposant dans une zone intermédiaire sur un support ou suscepteur, en étant chauffé par l'intermédiaire de lampes IR agencées à l'opposé des lampes UV (voir document FR 9905413 de la demanderesse). Revendications 1. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur, notamment d'une installation de recuit thermique rapide RTP ou de dépôt chimique en phase vapeur CVD, comprenant une chambre de traitement ou de réaction (14) à enceinte (16) étanche munie d'un hublot (18) en matériau transparent laissant passer un rayonnement électromagnétique (RL) émis par des lampes (20) de chauffage, le gaz neutre ou réactif étant injecté par des moyens de pulvérisation sur toute la surface d'un substrat (12) soumis audit rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte : - une pluralité de rampes d'injection (36,38, 40) disposées concentriquement dans une couronne de pulvérisation (28) annulaire s'étendant à l'intérieur de l'enceinte (16) en regard du hublot (18), chaque rampe étant équipée d'orifices (42) à diamètres calibrés pour diriger des jets de gaz (JG1, JG2, JG3) sur le substrat (12) selon des directions prédéterminées en laissant passer le rayonnement (RL) à travers la cavité (34) centrale de la couronne (28) annulaire, - et une colonne de distribution (30) raccordée à la couronne (28) pour l'alimentation desdites rampes depuis un circuit extérieur (32) d'entrée de gaz. 2. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (42) des rampes d'injection (36, 38, 40) sont orientés selon des angles aigus par rapport au plan du substrat (12). 3. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les rampes d'injection (36,38, 40) sont coplanaires avec une disposition parallèle au substrat (12), l'inclinaison des orifices (42) de la rampe interne (40) étant plus prononcée que celle des orifices (42) de la rampe externe (36). 4. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne de pulvérisation (28) est recouverte d'une plaque (50) thermorégulée, laquelle est agencée en couvercle au-dessus des rampes d'injection (36,38, 40). 5. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque chauffante (50) est équipée de résistances (52) connectées électriquement à une source d'énergie électrique réglable permettant de porter ladite plaque à une température prédéterminée. 6. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne de pulvérisation (28) est formée par un corps métallique, notamment en acier inoxydable ou en aluminium, la paroi interne de la cavité (34) centrale annulaire étant réfléchissante de manière à mieux concentrer le rayonnement lumineux sur le substrat (12). 7. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne de pulvérisation (28) est formée par un corps en céramique dans lequel circule un fluide caloporteur. 8. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne de pulvérisation (28) est ajustable en hauteur par rapport à la surface du substrat (12) et au hublot (18) en fonction de la répartition contrôlée des gaz précurseurs vers les zones définies du substrat (12). 9. Dispositif d'injection de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les débits de gaz injectés à travers les différentes rampes (36,38, 40) peuvent être ajustés individuellement par l'intermédiaire de vannes (46) commandées depuis le circuit extérieur (32). 10. Four à réacteur RTP ou CVD à chauffage par lampes IR ou UV, comportant un dispositif d'injection de gaz selon l'une des revendications 1 à 9.