Brevet FR2816520A1 — publié le 20020517

Dispositif d'injection multi-zones de gaz dans un réacteur RTP ou CVD à chauffage par lampes à rayonnement électromagnétique. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif d'injection de gaz dans un réacteur, notamment d'une installation de traitement 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 du type IR infrarouge et/ou ultraviolet émis par des lampes de chauffage, le gaz réactif étant injecté par des moyens de pulvérisation sur 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 UVeUou 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 d'injection multizones de gaz pour un réacteur à hublot unique, évitant tout effet de masquage du rayonnement des lampes. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte : une pluralité de canaux ménagés radialement à mi-hauteur dans un même plan horizontal du corps du hublot en étant mis en communication avec au moins un carter périphérique d'alimentation relié à un circuit de gaz extérieur, et des trous borgnes percés verticalement dans le hublot depuis la face inférieure orientée du côté de la chambre de réaction pour déboucher dans les canaux. Selon une caractéristique de l'invention, les canaux sont répartis dans le hublot selon une disposition diamétrale en étoile. Selon une caractéristique de l'invention, les trous borgnes peuvent présenter des sections cylindriques ou coniques de mêmes dimensions, ou des sections croissantes en direction du centre du hublot. Préférentiellement, l'enceinte métallique comporte au moins une cavité dans laquelle circule un fluide caloporteur en provenance d'un circuit de refroidissement extérieur. La face non percée du hublot peut être séparée de l'enveloppe des lampes par un intervalle rempli d'un liquide caloporteur de refroidissement, lequel est transparent à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. Selon une variante de réalisation, un hublot auxiliaire non percé est agencé entre l'intervalle et l'enveloppe des lampes. 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 en coupe du réacteur équipé du dispositif d'injection de gaz selon l'invention ; - la figure 2a montre une vue de dessous du hublot percé de la figure 1 ; - la figure 2b est une vue identique de la figure 2 d'une variante de réalisation ; la figure 3 est une vue identique du réacteur de la figure 1 avec deux étages de lampes entrecroisées ; les figures 4 à 6 représentent trois autres variantes de réalisation du réacteur. Description d'un mode de réalisation préférentiel En référence à la figure 1, un réacteur RTP ou CVD, désigné par le repère général 10, comporte une chambre de réaction 12 associée à des lampes 14 de chauffage à rayonnement électromagnétique du type IR infrarouge, et/ou UV à ultraviolet. La chambre de réaction 12 est dotée d'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 des lampes 14 vers la surface d'un substrat 20 à traiter, lequel est disposé à l'intérieur de la chambre de réaction 12. Les lampes 14 sont logées en regard du substrat 20 dans une enveloppe 22 équipée sur sa paroi interne d'un réflecteur 24 pour canaliser le rayonnement lumineux à travers le hublot 18. L'enceinte 16 de la chambre de réaction 12 est en acier inoxydable ou en aluminium, à paroi refroidie ou thermalisée (jusqu'à 300 C), comprenant une embase 26 surmontée d'un couvercle 28 avec interposition du hublot 18 monobloc. Un système de pompage 30 extérieur est raccordé à un orifice d'évacuation 32 de l'embase 26 de manière à travailler sous la pression atmosphérique ou abaisser la pression interne de la chambre de réaction 12 jusqu'à des vides secondaires. Un flux de gaz réactif est introduit depuis un circuit de gaz extérieur 34 dans la chambre de réaction 12 à travers le hublot 18, pour provoquer des réactions chimiques modifiant les propriétés physico-chimiques du matériau agencé sur le substrat 20, ou réalisant un dépôt du matériau sous forme de couche sur ledit substrat 20. L'étanchéité du hublot 18 cylindrique par rapport à l'embase 26 et le couvercle 28 est assurée par des joints 36, avec formation d'au moins un carter 38 périphérique s'étendant au voisinage du chant du hublot 18. Chaque carter 38 est relié au circuit de gaz extérieur 34 par une tubulure 40 pourvue d'une vanne 42 de commande, et de moyens de régulation du débit de gaz réactif. Le hublot 18 monobloc en quartz a une première fonction de séparation étanche de la chambre de réaction 12 et de l'enveloppe 22 des lampes 14, et une deuxième fonction de répartition uniforme du gaz réactif sur la surface du substrat 20. Une pluralité de canaux 44 sont usinés à cet effet horizontalement à mi-hauteur dans le corps du hublot 18, et mis en communication avec le ou les carters 38 périphériques. Des trous 46 borgnes cylindriques sont percés verticalement dans le hublot 18 depuis la face inférieure pour déboucher dans les canaux 44, de manière à faire communiquer la chambre de réaction 12 avec le circuit de gaz extérieur 34. La figure 2a montre une vue de dessous du hublot 18 illustrant par transparence la répartition diamétrale en étoile des canaux 44 horizontaux, et des trous 46 verticaux échelonnés à intervalles réguliers le long de ces canaux. Selon la variante de la figure 2b, des canaux 48 supplémentaires sont intercalés radialement entre les canaux 44 successifs pour augmenter le nombre total de trous 46. L'utilisation de plusieurs carters 38 périphériques permet une alimentation uniforme des canaux 44, 48 horizontaux à l'intérieur du hublot 18. Dans chaque canal 44,48 pris individuellement, la quantité de gaz injecté par les trous verticaux 46 a tendance à diminuer lors de la progression du gaz vers le centre du substrat 20. Pour y remédier, il suffit d'augmenter progressivement le diamètre des trous 46 en direction du centre pour obtenir une répartition uniforme de gaz projeté sur le substrat 20. En référence à la figure 3, une meilleure uniformité d'éclairement de la surface du substrat 20 peut être obtenue en incorporant dans l'enveloppe 22 un deuxième étage de lampes 50 disposées perpendiculairement par rapport aux lampes 14 du premier étage. L'embase 26 et le couvercle 28 de l'enceinte 16 des figures 1 et 3 sont maintenus à une température prédéterminée au moyen d'un fluide caloporteur circulant dans au moins une cavité 52,54 annulaire en liaison avec un circuit de refroidissement ou de thermalisation extérieur 56. Sur la figure 4, pour éviter tout dépôt d'impuretés sur la surface interne du hublot 18 suite au chauffage des lampes 14 IR, on rajoute un deuxième hublot 58 non percé sous l'enveloppe 22 des lampes 14, en le séparant du hublot 18 percé par un intervalle 60 dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce dernier est transparent à la longueur d'onde du rayonnement IR des lampes 14, et permet un refroidissement efficace en gardant les hublots 18,58 propres. En référence aux figures 5 et 6, une deuxième enveloppe 22a à lampes 14a est agencée à l'opposé de la première enveloppe 22, de manière à irradier les deux faces du substrat 20 à l'intérieur de la chambre de réaction 12. Selon la figure 5, le hublot 58 accolé à la deuxième enveloppe 22a n'est pas percé, et les lampes 14, 14a peuvent avoir soit le même type de rayonnement IR ou UV, soit des rayonnements différents. Dans le cas de la figure 6, les hublots 18,18a percés des deux enveloppes 22,22a opposées sont associés à des lampes 14,14a ayant le même rayonnement, autorisant la mise en oeuvre simultanée du même procédé sur les deux faces du substrat 20. L'évacuation de la chambre de réaction 12 est opérée symétriquement au moyen d'un double circuit d'échappement 60 en liaison avec le système de pompage 30. Le dispositif d'injection multi-zones de gaz selon les figures 1 à 6, peut être utilisé dans de nombreuses applications 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 20. Les lampes UV peuvent être classiques (xénon, mercure, deutérium), ou du type excimers, constitués par : Ar2*, Kr2*, Xe2*, F2*, cI2*, Br2*, 12* ArF*, ArCF, KrCF, XeCl*, HgNe*, HgAr*, HgKr*, HgXe*.. Revendications 1. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur, notamment d'une installation de traitement thermique rapide RTP ou de dépôt chimique en phase vapeur CVD, comprenant une chambre de réaction (12) à enceinte (16) étanche munie d'un hublot (18) en matériau transparent laissant passer un rayonnement électromagnétique du type IR infrarouge et/ou ultraviolet émis par des lampes (14,50) de chauffage, le gaz réactif étant injecté par des moyens de pulvérisation sur la surface d'un substrat (20) soumis audit rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte : une pluralité de canaux (44,48) ménagés radialement à mi-hauteur dans un même plan horizontal du corps du hublot (18) en étant mis en communication avec au moins un carter (38) périphérique d'alimentation relié à un circuit de gaz extérieur (34), et des trous (48) borgnes percés verticalement dans le hublot (18) depuis la face inférieure orientée du côté de la chambre de réaction (12) pour déboucher dans les canaux (44). 2. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux (44,48) sont répartis dans le hublot (18) selon une disposition diamétrale en étoile. 3. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les trous (46) borgnes présentent des sections identiques, notamment cylindriques ou coniques. 4. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les trous (46) borgnes présentent des sections croissantes en direction du centre du hublot (18). 5. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte (16) métallique comporte au moins une cavité (52,54) dans laquelle circule un fluide caloporteur en provenance d'un circuit de refroidissement (56) extérieur. 6. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face non percée du hublot (18) est séparée de l'enveloppe (22) des lampes (14) par un intervalle (60) rempli d'un liquide caloporteur de refroidissement, lequel est transparent à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. 7. Dispositif d'injection de gaz dans un réacteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un hublot auxiliaire (58) non percé est agencé entre l'intervalle (60) et l'enveloppe (22) des lampes (14). 8. Réacteur RTP ou CVD à chauffage par lampe IR et/ou UV, comprenant un dispositif d'injection multi-zones de gaz selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Réacteur RTP ou CVD selon la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat (20) est placé dans la partie centrale de la chambre de réaction (12) en étant soumis à deux rayonnements opposés issus de deux séries de lampes (14).