Brevet FR2863103A1 — publié le 20050603

4473FD13P 2863103 SYSTEME DE TRAITEMENT DES GAZ PAR PLASMA INTEGRE DANS UNE POMPE A VIDE La présente invention concerne le traitement des gaz extraits des 5 chambres à vide telles que les chambres de procédés utilisées pour la fabrication des semi-conducteurs. Les gaz de procédé utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs sont généralement toxiques, corrosifs, ou même nuisibles à la couche d'ozone ou induisant un fort effet de serre. Il est donc nécessaire de traiter les gaz extraits avant tout rejet dans l'atmosphère, pour ne rejeter que des gaz peu nuisibles. Jusqu'à présent, on a essentiellement traité les gaz de procédé dans des ensembles de traitement de gaz situés au refoulement des systèmes de pompage. Par conséquent, de tels ensembles de traitement de gaz doivent être conçus et dimensionnés pour traiter la totalité du flux sortant des systèmes de pompage. Un premier inconvénient de ces ensembles de traitement de gaz connus est leur grand volume, nécessaire pour traiter la quantité importante de flux sortant. Ces ensembles de traitement de gaz sont pour cela délocalisés, c'est-à-dire placés dans un étage inférieur des usines de fabrication de semi-conducteurs, et reliés à la chambre de procédés par des canalisations longues et coûteuses. __ L'encombrement,.de ce.s, ensembles. de traitement de gaz- - rend impossible leur----intégration à proximité des chambres de procédés. Un second inconvénient est que le flux sortant des systèmes de pompage contient non seulement les gaz qui ont été extraits des chambres de procédés, mais contient en outre des gaz de purge qui sont introduits dans la chaîne de vide, entre la sortie des chambres de procédés et le refoulement des systèmes de pompage. Ces gaz de purge, ajoutés pour protéger les systèmes de pompage, perturbent l'efficacité du traitement, et compliquent encore ce traitement, conduisant à une augmentation supplémentaire du volume des ensembles de traitement des gaz. Plus récemment, le document US 5,672,322 a proposé de prévoir un système de traitement de gaz extérieur à une pompe et que l'on vient connecter non pas au refoulement de la pompe mais entre deux étages successifs de la pompe, en prévoyant des canalisations de dérivation. Le traitement des gaz peut ainsi être amélioré, car on peut traiter les gaz 35 nocifs avant leur dilution par les gaz de purge dans les étages successifs de la pompe. 1473 FOU 2863103 2 Mais ces systèmes de traitement de gaz en dérivation entre des étages successifs de la pompe, qui sont seulement partiellement intégrés à la pompe, présentent encore des inconvénients importants qui sont expliqués ci-après. En particulier, avec un tel traitement de gaz en dérivation entre des étages successifs de la pompe, le fonctionnement de la pompe elle-même est apparemment dégradé, car on constate une réduction des capacités de pompage, de la vitesse de pompage, et des performances de vide. Le système de pompage est ainsi perturbé par la présence du système de traitement de gaz, et un meilleur traitement de gaz se fait alors au détriment de l'efficacité du pompage. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure de système de traitement des gaz par plasma qui assure à la fois un meilleur traitement des gaz, et une conservation des propriétés du système de pompage notamment pour ce qui concerne les capacités de pompage, la vitesse de pompage, les performances de vide, tout en réduisant de façon très sensible la 1s taille des moyens de traitement de gaz, afin de permettre leur intégration au plus près des chambre de procédés. Pour cela, l'invention résulte d'une analyse des inconvénients des systèmes connus, en particulier du système décrit dans le document US 5, 672,322. II apparaît que la réduction des performances du système de pompage --20 résuite _du fait- èm-e--que le systèrn-e de traitem-e t--des gâzëstip1 é-_a-i éxtërieür du système de pompage, et lui est raccordé par des canalisations de dérivation. Le système de traitement des gaz et les canalisations de dérivation constituent une section de passage imposé que les gaz pompés doivent traverser, et qui tend donc à s'opposer au libre passage des gaz pompés entre deux étages successifs d'une pompe. Cette résistance explique la baisse de performance du système de pompage, et cette baisse de performance est d'autant plus sensible lorsque les canalisations de dérivation et le système de traitement des gaz présentent une section transversale réduite. On pourrait donc songer à augmenter la section transversale des canalisations de dérivation et du système de traitement des gaz. Mais alors ce volume élevé rend plus difficile certains traitements des gaz par un plasma, car il faut alors disposer d'une source de plasma à haute puissance, qui induit d'une part une grande consommation d'énergie, et d'autre part l'adaptation de moyens générateurs présentant eux-mêmes un volume additionnel non négligeable. L'idée essentielle de l'invention est alors de réaliser au moins un traitement partiel des gaz au passage entre deux étages successifs d'une pompe à 4473 HD1P 2863103 vide du système de pompage, en plaçant, à l'intérieur même de la pompe à vide, la source de plasma qui assure la décomposition des gaz nocifs. Ainsi, l'invention propose un système de pompage et de traitement des gaz, comprenant au moins un groupe de pompage à plusieurs étages et un système de traitement des gaz pompés, dans lequel le système de traitement des gaz pompés comprend au moins une source de plasma logée dans une canalisation inter-étages à l'intérieur du corps du groupe de pompage, pour générer un plasma qui décompose au moins en partie certains gaz traversant le groupe de pompage. De préférence, la canalisation inter-étages relie deux étages basse pression du groupe de pompage. De la sorte, on agit sur les gaz nocifs avant même leur dilution dans les gaz de purge ou de traitement. On peut avantageusement prévoir un système de pompage et de traitement des gaz comprenant plusieurs sources de plasma insérées respectivement dans plusieurs canalisations inter-étages successives entre des premiers étages basse pression du groupe de pompage. Le traitement des gaz par plasma dans les canalisations inter-étages d'un groupe de pompage peut être amélioré en combinant la décomposition des gaz par le plasma à une injection de gaz de neutralisation, qui empêche la -20 recom{tosittan-ztes g-az déco-mpz5sés p-nié prasmâ, êt-qui les recom osë=süïvânf _ une réaction chimique contrôlée en sous-produits moins nocifs. Selon l'invention, on peut alors profiter avantageusement de la présence d'un circuit de purge, en prévoyant une source de gaz de neutralisation adaptée pour injecter le gaz de neutralisation dans le circuit de purge lui-même qui l'introduit dans le groupe de pompage. Un autre avantage de l'invention est alors de réduire la quantité de gaz nocifs présents dans le groupe de pompage, et par conséquent de réduire aussi la quantité nécessaire de gaz de neutralisation qu'il faut introduire dans le groupe de pompage pour neutraliser la quantité restante de gaz nocifs. Selon un mode de réalisation avantageux, on peut prévoir des moyens de commande qui adaptent la vitesse de rotation du groupe de pompage pour optimiser les pressions internes et les paramètres plasma respectifs dans la canalisation inter-étages, afin d'augmenter le rendement de conversion des espèces gazeuses par le plasma. En alternative ou en complément, les moyens de commande peuvent adapter, en fonction de la vitesse de pompage, la puissance de génération de 4f7 FDEP 2863103 plasma délivrée par la source de plasma, afin d'augmenter le rendement de conversion des espèces gazeuses par le plasma. En complément, au moins un dispositif de mesure par spectrométrie optique du plasma peut être associé à au moins une source de plasma, pour mesurer, contrôler et optimiser les réactions gazeuses dans la canalisation interétages, en agissant sur la vitesse du groupe de pompage et/ou sur la puissance de la source de plasma, et/ou sur la quantité de gaz de neutralisation injectée par la source de gaz de neutralisation dans le circuit de purge. L'invention s'applique a priori à tous types de groupes de pompage multiétagés à canalisations inter-étages, notamment à des groupes de pompage de type roots multiétagés, par exemple une pompe Alcatel Dry Pump A300 produite et distribuée par Alcatel. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec la figure annexée illustrant un système de pompage muni d'un dispositif de traitement des gaz selon l'invention. Le système de pompage représenté sur la figure comprend, dans un boîtier 1, un groupe de pompage 2 ayant un corps de pompe à vide dans lequel sont prévus, entre une entrée de pompage 3 et une sortie de pompage 4, une _20 --pluralité d'étages-de-porn-page-tels-que_les-étages- 5; -6; 7--8 et-9._. .- - _-, Les étages de pompage sont connectés aérauliquement en série les uns à la suite des autres par des canalisations inter-étages respectives 10, 11, 12 et 13 prévues à l'intérieur du corps du groupe de pompage 2. Les étages de pompage 5 à 9 comprennent chacun un stator et un rotor. Les rotors, de façon connue, sont couplés mécaniquement sur un même arbre entraîné en rotation par un moteur à vitesse variable 14 ou fixe. Les canalisations inter-étages 10 et 11, qui relient respectivement les étages 5 et 6 ou les étages 6 et 7 à plus basse pression du groupe de pompage, contiennent deux sources de plasma respectives 15 et 16 adaptées pour générer, dans les gaz pompés à basse pression contenus dans les canalisations inter-étages 10 et 11, un plasma capable de décomposer les gaz nocifs pompés. Les sources de plasma respectives 15 et 16 sont pour cela alimentées par un générateur haute fréquence respectif 17 ou 18, et comprennent des moyens de couplage haute fréquence pour transmettre au volume intérieur des canalisations inter-étages 10 et 11 l'énergie haute fréquence capable d'exciter les molécules gazeuses et de produire le plasma. 1473 FDEP 2863103 Par le fait que les canalisations inter-étages 10 et 11 ont une section transversale relativement réduite, les sources de plasma 15 et 16 peuvent aisément être réalisées par tous moyens connus adaptés pour la génération d'un plasma dans de tels volumes réduits. Le système selon l'invention crée ainsi, dans les canalisations interétages 10 et 11, un plasma approprié pour décomposer certains gaz nocifs provenant d'une chambre à vide connectée à l'entrée de pompage 3 du groupe de pompage. On voit que les sources de plasma 15 et 16 sont intégrées à l'intérieur même du groupe de pompage. Les générateurs haute fréquence 17 et 18 peuvent être intégrés à l'intérieur du boîtier 1, car leur volume peut être réduit, par le fait que la puissance haute fréquence nécessaire à la génération du plasma dans les faibles volumes des canalisations interétages 10 et 11 est elle-même faible. Grâce à cette intégration des sources de plasma 15 et 16 à l'intérieur même des canalisations inter-étages 10 et 11, aucune conductance supplémentaire n'est ajoutée au dispositif de la pompe à vide, de sorte que les gaz pompés parcourent le groupe de pompage aussi aisément qu'en l'absence d'un dispositif de traitement des gaz. Le plasma lui-même généré dans les sources de plasma 15 et 16 ne constitue pas un frein au déplacement des gaz. ----20 De-la--sa de la-capacité-et-la-vitesse de pompage-du-grcupe dëpômpâe-- - ne sont pas affectées par la présence du dispositif de traitement des gaz selon l'invention. Du fait que le plasma n'a besoin d'être créé dans les canalisations interétages que sur une longueur réduite et dans un volume à section transversale réduite, on bénéficie de la faible dimension de la source de plasma pour que le générateur haute fréquence 17 ou 18 nécessaire ait luimême une puissance réduite, et donc un volume très réduit. En intégrant plusieurs sources de plasma 15 et 16 insérées respectivement dans plusieurs canalisations inter-étages successives entre des premiers étages basse pression de la pompe à vide, on favorise le traitement des gaz en assurant ce traitement avant toute dilution importante dans des gaz de purge ou des gaz de neutralisation. Egalement, dans les étages basse pression de la pompe à vide, on obtient une décharge électroluminescente de forte intensité avec une puissance optimisée, pour une décomposition efficace des gaz nocifs. Comme on le fait généralement dans les pompes à vide destinées à pomper des gaz hors des chambres de procédés dans la fabrication de semiconducteurs, on prévoit d'injecter de l'azote ou un autre gaz de purge dans les 1473FDEP 2863103 canalisations inter-étages 10, 11, 12 et 13, par un circuit de purge 19. Le gaz de purge a pour but d'éviter le dépôt de produits nocifs sur les éléments de la pompe, et d'éviter également la corrosion progressive des éléments de la pompe. Par le fait que les sources de plasma 15 et 16 sont placées de s préférence dans les premiers étages basse pression de la pompe, il en résulte que le plasma agit sur des gaz dans lesquels l'azote est en plus faible quantité. Il en résulte également que le plasma est susceptible de créer une plus faible proportion de composés de type NOX, qui sont nocifs. Le circuit de purge 19 peut en outre être utilisé pour l'injection d'un gaz 10 de neutralisation tel que l'oxygène ou la vapeur d'eau, pour assurer, en présence du plasma, une meilleure décomposition des gaz tels que CF4 par la réaction 1) CF4 + 2 H20 CO2 + 4HF 2) CF4 + 2 H2O CO+4HF+'/202 Pour cela, le système de pompage selon l'invention peut comprendre, comme représenté sur la figure, un circuit de purge 19 et une source de gaz de neutralisation 22 adaptée pour injecter un gaz de neutralisation dans le circuit de 2-0 __pûrgë 19: Lë crcûit cfe purgë 9 âssûe l'infrodûcton dû gaz d, _e_neutral le groupe de pompage. Selon l'invention, le traitement des gaz peut être réalisé en mode multiplexé sur les différents inter-étages de la pompe à vide, par exemple dans les canalisations inter-étages 10 et 11, ou bien dans les canalisations inter-étages 10, 11 et 12, en fonction de l'efficacité de la création du plasma et des différentes pressions dans chaque partie de la pompe à vide. Les conditions dans la pompe à vide peuvent en effet varier en fonction des étapes des procédés nécessitant le pompage des gaz, et l'on peut ainsi adapter le traitement des gaz aux conditions régnant dans la chambre de procédés. Les générateurs haute fréquence 17 et 18 sont pour cela pilotés par des moyens de commande 23 tels qu'un processeur associé à des mémoires et un programme enregistré, le programme étant adapté pour adapter le fonctionnement ou l'arrêt des générateurs haute fréquence 17 et 18 en fonction des conditions optimales de traitement des gaz qu'il faut respecter. En alternative ou en complément, les moyens de commande 23 peuvent piloter également le moteur 14 pour adapter la vitesse de rotation de la pompe afin d'optimiser les pressions internes et les paramètres plasma respectifs dans les =w7;FDEP 2863103 7 canalisations inter-étages 10 et/ou 11. On peut ainsi augmenter le rendement de conversion des espèces gazeuses par le plasma. En alternative ou en complément, les moyens de commande 23 peuvent également adapter, en fonction de la vitesse de pompage, la puissance de 5 génération de plasma délivrée par les sources de plasma, en pilotant les générateurs haute fréquence 17 et 18. On peut ainsi augmenter également le rendement de conversion des espèces gazeuses par le plasma. Enfin, on peut avantageusement assurer un contrôle en temps réel du traitement des gaz par une mesure de spectrométrie optique du plasma- Pour cela, un dispositif de mesure peut être associé à l'électrode haute fréquence de chaque source de plasma 15 ou 16. Le dispositif de mesure peut être par exemple un spectromètre optique 20 ou 21 raccordé à une fibre optique 24 ou 25 pour recueillir la radiation lumineuse émise par la source de plasma correspondante 15 ou 16. Les informations recueillies par les spectromètres optiques 20 et 21 sont envoyées au dispositif de commande 23 qui peut, en réponse, adapter la vitesse du moteur 14, la puissance des générateurs haute fréquence 17 et 18, l'injection de gaz de neutralisation par la source de gaz de neutralisation 22. On peut ainsi encore mieux contrôler et optimiser les réactions gazeuses dans les canalisations inter-étages. L'-inuenti-on--permet--ainsi-de--réaliser--des-systèmes- de-pompage-et de_ -- ___ traitement des gaz de taille suffisamment petite pour être placés directement dans le sol à proximité des chambres de procédés dans les installations de fabrication de semi-conducteurs. L'invention s'applique non seulement à des systèmes de pompage neufs, intégrés dans des équipements neufs, mais également à des systèmes de pompage existants, dans lesquels le dispositif de traitement des gaz pompés peut être intégré par remplacement des pompes existantes. Le dispositif de l'invention permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre de type PFC, souvent utilisés dans les équipements semiconducteurs pour les étapes de gravure diélectrique et de nettoyage des procédés de dépôt CVD. L'intégration des sources de plasma dans la pompe à vide elle-même après le premier étage de compression permet de réduire la rétrodiffusion des gaz vers la chambre de procédés. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier. 1173 PDCP 2863103 REVENDICATIONS 1 Système de pompage et de traitement des gaz, comprenant au moins un groupe de pompage (2) à plusieurs étages (5, 6, 7, 8, 9) et un système de traitement des gaz pompés, caractérisé en ce que le système de traitement des gaz pompés comprend au moins une source de plasma (15) logés dans une canalisation inter-étages (10; 11) à l'intérieur du corps du groupe de pompage (2), pour générer un plasma qui décompose au moins en partie certains gaz traversant le groupe de pompage (2). 2 Système de pompage et de traitement des gaz selon la revendication 10 1, caractérisé en ce que la canalisation inter-étages (10; 11) relie deux étages basse pression (5, 6; 6, 7) du groupe de pompage (2). 3 Système de pompage et de traitement des gaz selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sources de plasma (15, 16) insérées respectivement dans plusieurs canalisations inter-étages successives (10, 11) entre des premiers étages basse pression (5, 6; 6, 7) du groupe de pompage (2). 4 Système de pompage et de traitement des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de purge (19), et une source de gaz de neutralisation (22) adaptée pour injecter un __2o____g_az de__n_eutr_alisatior_ dans_-le_crouit_depurg_e (19) pour_ introduire ledit gazde._ néutrâlïsâtiôn dânsTé groupë dë-pômpage Système de pompage et de traitement des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (23) qui adaptent la vitesse de rotation du groupe de pompage pour optimiser les pressions internes et les paramètres plasma respectifs dans la canalisation inter-étages (10), afin d'augmenter le rendement de conversion des espèces gazeuses par le plasma. 6 Système de pompage et de traitement des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (23) qui adaptent, en fonction de la vitesse de pompage, la puissance de génération de plasma délivrée par la source de plasma (15, 16), afin d'augmenter le rendement de conversion des espèces gazeuses par le plasma. 7 Système de pompage et de traitement des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de mesure par spectrométrie optique du plasma (20, 21) associé à au moins une source de plasma (15, 16), qui mesure, contrôle et optimise les réactions gazeuses dans la canalisation inter-étages (10, 11) , en agissant sur la 4,17;PDEP 2863103 vitesse du groupe de pompage (2), et/ou sur la puissance de la source de plasma (15, 16), et/ou sur la quantité de gaz de neutralisation injectée par la source de gaz de neutralisation (22) dans le circuit de purge (19).