Brevet FR2843629A1 — publié le 20040220

Dispositif de traitement thermique rapide comportant à l'intérieur de la chambre de réaction des lampes infrarouges halogènes à paroi froide. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif de traitement thermique rapide, par rayonnement électromagnétique de type infrarouge, d'un substrat disposé dans une chambre de réaction à parois métalliques froides, le dispositif comportant 10 des lampes infrarouges halogènes comportant chacune une première enveloppe tubulaire en quartz. tat de la technique Les procédés de traitements thermiques rapides, souvent utilisés dans le domaine de la microélectronique, permettent soit de modifier les propriétés physico-chimiques d'un matériau, par exemple lors de recuits (RTP) d'implantation d'un dopant, d'oxydation ou de nitruration, soit de déposer un 20 matériau sous forme de couche sur un substrat, par dépôt en phase vapeur (RTCVD). Ils interviennent généralement dans des fours spéciaux, comportant une chambre de réaction sous vide ou sous atmosphère contrôlée, et ils utilisent des lampes halogènes à rayonnement infrarouge comme source d'énergie de phénomènes physiques et de réactions chimiques ayant souvent lieu en 25 présence de gaz réactif. Pour la plupart des fours connus pour les traitements thermiques rapides, les lampes halogènes infrarouges sont installées en face du substrat, de manière à obtenir une irradiation optimale du substrat. Ainsi sur la figure 1, représentant un four 1 de traitement thermique rapide, les lampes 2 sont séparées de la chambre de réaction 3 dans laquelle est disposé le substrat 4. En effet, les parois des lampes halogènes 2 peuvent atteindre des températures très élevées et les gaz utilisés dans la chambre de réaction 3 sont 5 susceptibles de réagir au contact des parois chaudes des lampes 2, provoquant leur destruction. Les lampes 2 sont donc disposées dans un compartiment 5 possédant un réflecteur, le compartiment 5 étant séparé de la chambre de réaction 3 par un hublot en quartz 6, idéalement transparent au rayonnement infrarouge émis par les lampes 2. Une partie du rayonnement infrarouge émis par les lampes est néanmoins absorbée par le hublot, ce qui provoque son échauffement. De plus, lorsque le substrat 4 est placé dans la chambre de réaction 3 et chauffé par le rayonnement infrarouge des lampes 2, le substrat peut émettre des 15 rayonnements de longueur d'onde supérieure à celle des lampes. Ces rayonnements peuvent être absorbés par le hublot 6 et provoquer son échauffement. Si le hublot est trop chaud, un dépôt peut se former sur le hublot 6 du côté de la chambre de réaction 3, empêchant l'éclairement du substrat 4. Pour éviter de tels dépôts, la demande de brevet FR-A1-2686967, décrit un four 1 avec deux hublots 6 entre lesquels circule un liquide de refroidissement 7 transparent à la longueur d'onde émise par les lampes infrarouges 2 (figure 2). Cette solution est cependant limitée à des procédés relativement courts, la face du hublot 6 située du côté de la chambre de réaction 3 finissant tout de même 25 par se réchauffer, à cause de la mauvaise conductivité thermique du quartz et de l'épaisseur des hublots 6. Les hublots ont généralement une épaisseur d'au moins un centimètre, ce qui renforce leur résistance mécanique face à une différence de pression importante entre la chambre de réaction et le compartiment 5. Objet de l'invention L'invention a pour but un dispositif de traitement thermique rapide ne nécessitant pas de hublot en quartz et permettant un traitement thermique et une injection de gaz réactifs uniformes sur toute la surface du substrat. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les lampes sont disposées à l'intérieur de la chambre de réaction et comportent chacune une enveloppe externe en quartz, concentrique à la première enveloppe et formant une paroi 10 externe d'un canal de circulation d'un liquide de refroidissement transparent au rayonnement infrarouge des lampes, de manière à former des lampes à paroi froide, le dispositif comportant des moyens de fixation pour monter l'enveloppe externe entre des parois latérales opposées de la chambre de réaction. Selon un développement de l'invention, les lampes comportent chacune une enveloppe tubulaire intermédiaire en quartz, disposée de manière à délimiter un espace tubulaire avec la première enveloppe et à constituer une paroi interne du canal de circulation du liquide de refroidissement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte des moyens de contrôle destinés à maintenir la température du liquide de refroidissement des lampes à une valeur prédéterminée, comprise entre 5 C et 300 C. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comportant des 25 moyens d'injection d'un gaz réactif dans la chambre de réaction et les moyens d'injection comportent une pluralité de canaux d'alimentation comportant des orifices de sortie, les lampes étant disposées entre lesdits orifices et le substrat. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de deux dispositifs de traitement thermique rapide selon l'art antérieur. Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe partielle respectivement d'un premier et d'un second mode de réalisation d'une lampe équipant un dispositif selon l'invention. La figure 5 représente une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, comportant des lampes selon la figure 4. Les figures 6 et 7 représentent, sous forme de schéma-blocs, respectivement les moyens de contrôle de la température des parois des lampes et les moyens de contrôle de la pression de la chambre de réaction d'un dispositif selon l'invention. Les figures 8 et 9 sont des vues schématiques respectivement d'un second et 20 d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, comportant des lampes selon la figure 4. Description de modes particuliers de réalisation. Selon l'invention, un dispositif de traitement thermique rapide comporte une chambre de réaction 3 dans laquelle sont disposés un substrat 4 à traiter et des lampes 2 tubulaires halogènes à paroi froide, générant un rayonnement électromagnétique infrarouge. Selon un premier mode de réalisation, représenté sur la figure 3, une lampe halogène tubulaire 2 comporte une première enveloppe en quartz 8, qui contient un gaz halogène et un filament de tungstène relié à chaque borne 11 de la 5 lampe 2. La lampe 2 comporte une enveloppe externe 9, en quartz et concentrique à la première enveloppe 8. L'enveloppe externe 9 forme la paroi externe d'un canal de circulation 10 dans lequel circule un liquide de refroidissement caloporteur et transparent au rayonnement infrarouge émis par la lampe 2. Les lampes 2 sont disposées à l'intérieur de la chambre de réaction. Elles sont montées entre les parois de la chambre de réaction, les deux bornes 11 de chaque lampe 2 faisant saillie à l'extérieur de la chambre de réaction, tandis que l'enveloppe en quartz 9 est fixée entre deux parois 12 opposées de la chambre 15 de réaction. Ainsi, selon un mode particulier de montage représenté à la figure 3, des premiers supports métalliques 13, fixés (sl) à chacune des parois 12 latérales et opposées de la chambre de réaction 3 autour d'un orifice 19 formé dans la paroi 12, délimitent une première ouverture cylindrique. Un second support 14, fixé (s2) au premier support 13, délimite une seconde ouverture 20 cylindrique de diamètre supérieur au diamètre de la première ouverture. La lampe 2 est disposée de manière à ce que les premiers supports 13 viennent en appui sur les extrémités de la première enveloppe 8, tandis que les seconds supports 14 viennent en appui sur les extrémités de l'enveloppe externe 9. Un 25 passage 15 est ménagé dans le support 13, de manière à alimenter le canal de circulation 10 en liquide de refroidissement. L'ensemble est rendu étanche par des joints 16a et 16b disposés d'une part à l'interface de la première enveloppe 8, de la paroi 12 et du premier support 13, et d'autre part, à l'interface de l'enveloppe externe 9, du premier support 13 et du second support 14. Les joints 16a et 16b pouvant être endommagés par la chaleur dégagée par les lampes sont, de préférence, protégés par des dépôts métalliques, déposés localement sur la première enveloppe 8 et sur l'enveloppe externe 9. Le montage décrit ci-dessus permet de changer uniquement la première enveloppe 8 contenant le filament, lorsque la lampe est défectueuse, sans avoir besoin de changer l'ensemble. Il est alors cependant nécessaire de vidanger le canal de circulation 10 avant de retirer la première enveloppe 8 de la chambre de réaction. L'opération de remplacement de la première enveloppe a lieu par 10 I'extérieur de la chambre de réaction, au niveau des bornes 11, ce qui rend cette opération facile et rapide. Le liquide de refroidissement circulant dans le canal de circulation 10, peut être de l'eau. Il est, de préférence, choisi parmi les composés à chaîne carbonée 15 saturée par des halogènes ou les composés à chaîne carbonée et oxygénée saturée par des halogènes. Le liquide de refroidissement peut, par exemple, être choisi parmi les perfluoropolyéthers ou parmi les huiles constituées par des polymères de faible poids moléculaire du trifluoromonochloroéthylène. Le liquide de refroidissement est maintenu par des moyens de contrôle à une température 20 prédéterminée, comprise entre 5 C et 300 C, et de préférence entre 5 C et C. L'enveloppe externe 9 de la lampe formant alors la paroi externe du canal de circulation 10 est froide, rendant ainsi la paroi externe de la lampe froide. Le terme froid est à considérer par comparaison avec la température habituelle des parois des lampes halogènes classiques. Le liquide de refroidissement est directement en contact avec la première enveloppe de la lampe, la refroidissant, ce qui présente l'inconvénient de diminuer la durée de vie de la lampe halogène. En effet, il est connu que pour qu'une lampe halogène fonctionne durablement, les parois entourant le filament de tungstène et le gaz halogène doivent être maintenues à une température comprise entre 200 C et 900 C car cette gamme de température évite un dépôt sur les parois et permet une régénération continue du filament de tungstène. En effet, le tungstène s'évapore sous l'effet du courant électrique et se combine 5 sous forme gazeuse avec le gaz halogène. Les éléments halogénures de tungstène contenus dans le gaz se décomposent par ailleurs sous l'effet de la température et le tungstène se redépose sur le filament. Certains procédés de traitement thermique rapide ne nécessitent cependant pas une lampe halogène ayant une durée de vie importante, de sorte que ce premier mode de réalisation 10 peut être intéressant pour certaines applications. Pour éviter que la température de la première enveloppe en quartz ne soit trop basse, une enveloppe intermédiaire 17 tubulaire en quartz peut être disposée entre la première enveloppe 8 et l'enveloppe externe 9, de manière à délimiter 15 un espace tubulaire 18 avec la première enveloppe 8 (figure 4). L'enveloppe intermédiaire 17 constitue alors la paroi interne du canal de circulation 10 du liquide de refroidissement, celui- ci n'étant plus en contact avec la première enveloppe 8 et servant uniquement à refroidir l'enveloppe externe 9. Dans ce cas, le premier support 13 vient en appui sur l'enveloppe intermédiaire 17, les 20 joints 16a étant disposés à l'interface de l'enveloppe intermédiaire 17, de la paroi 12 et du premier support 13. Des dépôts métalliques peuvent être déposés localement sur l'enveloppe intermédiaire 17 ou sur l'enveloppe externe 9, de manière à protéger les joints 16a et 16b. Le dispositif de traitement thermique rapide peut également comporter des moyens pour faire circuler de l'air, à température ambiante, dans l'espace tubulaire 18, de manière à maintenir la première enveloppe 8 à une température comprise entre 200 C et 900 C. Il peut également comporter des moyens de contrôle du débit de l'air et de la température dans l'espace tubulaire 18. L'utilisation d'une enveloppe intermédiaire 17 présente l'avantage de n'avoir à changer que la première enveloppe de la lampe, en cas de disfonctionnement ou de maintenance de la lampe 2, sans avoir à vidanger le canal de circulation , les enveloppes intermédiaire et externe restant en place. Les lampes halogènes tubulaires 2, chacune associée à une enveloppe externe 9 en quartz, forment des lampes à paroi froide, ce qui permet de les disposer à l'intérieur d'une chambre de réaction 3, sans être séparées de celle-ci par un hublot en quartz. Comme représentée sur la figure 5, une chambre de réaction 3, de préférence en acier inoxydable ou en aluminium, est constituée de deux parties, une partie inférieure 20a et une partie supérieure 20b, de manière à rendre l'intérieur de la chambre de réaction accessible. Les deux parties 20a et 20b sont rendues 15 étanches par des joints d'étanchéité 21. La chambre de réaction 3 comporte une double paroi comportant des parois externe 12a et interne 12b, délimitant un canal 22 dans lequel circule un liquide de refroidissement des parois. Le canal 22 est alimenté par des canaux d'alimentation 23. Les parois internes12b, métalliques et polies du côté de la chambre de réaction, forment le réflecteur de 20 la chambre de réaction. Un tube d'injection 24 de gaz, neutre ou réactif, traverse les parois métalliques 12a et 12b de la partie inférieure 20a de la chambre de réaction, de manière à faire circuler le gaz à l'intérieur de la chambre de réaction. Un pyromètre 41 25 destiné à mesurer la température à la surface du substrat, peut être disposé dans la partie supérieure 20b de la chambre de réaction, du côté des lampes 2, de manière à mesurer la température à la surface du substrat du côté des lampes. Ceci est rendu possible grâce aux parois froides des lampes 2 et à l'absence de hublot. En effet, la présence d'un hublot provoque l'absorption des longueurs d'onde du pyromètre par celui-ci. Le pyromètre doit alors être disposé dans la partie inférieure 20a de la chambre de réaction. Un substrat 4, destiné à être traité, est disposé à l'intérieur de la chambre de 5 réaction 3. Cinq lampes 2 sont disposées au-dessus de celuici, sur un même plan, et sont solidaires des parois latérales 12 opposées situées dans le plan de coupe de la figure 5. Les lampes 2, représentées sur la figure 5, sont du type représenté sur la figure 4. Le liquide de refroidissement de chaque lampe circule entre les enveloppes intermédiaire 17 et externe 9 et est amené par des tuyaux 10 d'alimentation 25, qui peuvent être, eux-mêmes, raccordés à des moyens de contrôle de la température et du débit du liquide de refroidissement des lampes 2 (figure 6). Sur la figure 6, les tuyaux d'alimentation 25 alimentant le canal de circulation 10 15 de chaque lampe 2, comportent une entrée 25a et une sortie 25b, connectées à un circuit secondaire 30 d'un premier échangeur de chaleur 31. Une pompe 29 est, de préférence, disposée entre l'entrée 25a et le premier échangeur de chaleur 31. Le premier échangeur 31 comporte un circuit primaire 32 alimenté par de l'air, de l'huile ou de l'eau, de manière à réguler la température du 20 liquide de refroidissement des lampes à une température prédéterminée comprise entre 5 C et 300 C. Le circuit 30 fait, de préférence, également office de circuit primaire d'un second échangeur de chaleur 33. Le circuit secondaire du deuxième échangeur de 25 chaleur 33, dans lequel circule le liquide de refroidissement des parois métalliques de la chambre de réaction 3, est connecté aux canaux d'alimentation 23. Un vase d'expansion 35 peut être disposé entre les premier et second échangeurs de chaleur 31 et 33. Le dispositif de traitement thermique rapide peut également comporter des moyens de contrôle et de régulation de la pression (figure 7) de la chambre de réaction. La chambre de réaction 3 comporte une ouverture 39 (figure 5) destinée à être raccordée aux moyens de contrôle et de régulation de la 5 pression, de manière à réaliser des traitements thermiques rapides à pression atmosphérique ou d'abaisser la pression jusqu'à des vides primaires et secondaires, avec des débits de gaz variables contrôlés. Une pompe 36 est disposée en série avec une vanne 37 de contrôle à la sortie de l'ouverture 39 de la chambre de réaction. La vanne 37 est commandée par un circuit de 10 régulation de la pression 38, recevant en entrée, d'une part une valeur de consigne de la pression et, d'autre part, la valeur mesurée à la sortie de la chambre par un capteur de pression 40 de tout type connu. Selon une variante de réalisation, comme représentée sur la figure 8, les 15 canaux de circulation 10 du liquide de refroidissement des lampes 2 sont connectés en série et reliés à seulement deux tuyaux d'alimentation 25. Sur la figure 8, un tube d'injection 24 de gaz est situé dans la partie inférieure 20a de la chambre de réaction, sensiblement au niveau du substrat 4. La 20 chambre de réaction 3 comporte également, une pluralité de canaux d'alimentation en gaz 26, traversant les parois métalliques 12a et 12b de la partie supérieure 20b de la chambre de réaction 3. Une chambre de détente 27 est, de préférence, située en amont des canaux 25 d'alimentation en gaz 26. La chambre de détente est disposée au-dessus de la partie supérieure 20b de la chambre de réaction, la chambre de détente 27 étant elle-même alimentée par un tube d'injection de gaz 34. Les canaux d'alimentation en gaz 26 comportent des orifices de sortie 28 disposés audessus des lampes 2. La paroi extérieure des lampes étant froide, le gaz est alors injecté entre les lampes, sans risque de décomposition. Cela présente l'avantage d'injecter les gaz uniformément sur toute la surface du substrat 4. Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 9, deux séries de 5 lampes 2 peuvent être disposées de part et d'autres du substrat 4, ce qui favorise un traitement thermique homogène sur l'ensemble du substrat et permet d'accroître la vitesse de chauffage du substrat. De même, deux séries de lampes 2 peuvent également être disposées à deux 10 hauteurs différentes et du même côté du substrat, la première série de lampes étant disposée orthogonalement par rapport à la deuxième série. Il est également possible de combiner ces deux modes de réalisation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi les 15 lampes du type de celles qui sont décrites dans le document US20020024277 pourraient éventuellement être utilisées dans la chambre de réaction. Elles présentent cependant l'inconvénient de nécessiter le changement de l'ensemble de la lampe refroidie en cas de défaillance du filament de la lampe. Revendications 1. Dispositif de traitement thermique rapide, par rayonnement électromagnétique de type infrarouge, d'un substrat (4) disposé dans une chambre de réaction (3) à parois métalliques froides (12a, 12b), le dispositif comportant des lampes (2) infrarouges halogènes comportant chacune une première enveloppe tubulaire (8) en quartz, dispositif caractérisé en ce que les 10 lampes (2) sont disposées à l'intérieur de la chambre de réaction (3) et comportent chacune une enveloppe externe (9) en quartz, concentrique à la première enveloppe (8) et formant une paroi externe d'un canal de circulation (10) d'un liquide de refroidissement transparent au rayonnement infrarouge des lampes (2), de manière à former des lampes (2) à paroi froide, le dispositif 15 comportant des moyens de fixation (13,14) pour monter l'enveloppe externe entre des parois latérales opposées (12) de la chambre de réaction (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lampes (2) comportent chacune une enveloppe tubulaire intermédiaire (17) en quartz, 20 disposée de manière à délimiter un espace tubulaire (18) avec la première enveloppe (8) et à constituer une paroi interne du canal de circulation (10) du liquide de refroidissement. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des 25 moyens pour faire circuler de l'air, à température ambiante, dans l'espace tubulaire (18), de manière à maintenir la première enveloppe (8) à une température comprise entre 200 C et 900 C. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contrôle du débit et de la température de l'air dans l'espace tubulaire (10). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement est choisi parmi les composés à chaîne carbonée saturée par des halogènes ou les composés à chaîne carbonée et oxygénée saturée par des halogènes. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les canaux de circulation (10) du liquide de refroidissement des lampes (2) sont connectés en parallèle ou en série. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce 15 qu'il comporte des moyens de contrôle (29, 31) destinés à maintenir la température du liquide de refroidissement des lampes (2) à une valeur prédéterminée, comprise entre 5 C et 300 C. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur 20 prédéterminée de la température du liquide de refroidissement des lampes (2) est comprise entre 5 et 25 C. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comportent un premier échangeur (31) de chaleur avec un 25 circuit secondaire (30) dans lequel circule le liquide de refroidissement des lampes (2) et qui constitue le circuit primaire d'un second échangeur de chaleur (33) ayant un circuit secondaire dans lequel circule un liquide de refroidissement des parois métalliques (12a, 12b) de la chambre de réaction (3). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif comportant des moyens d'injection d'un gaz réactif dans la chambre de réaction, les moyens d'injection comportent une pluralité de canaux d'alimentation (26) comportant des orifices de sortie (28), les lampes (2) étant disposées entre lesdits orifices (28) et le substrat (4). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent une chambre de détente (27) située en amont des canaux d'alimentation (26).