Brevet FR2930562A1 — publié le 20091030

GRB08-0879FR Société par actions simplifiée dite : ACERDE Réacteur et procédé de dépôt contre un substrat d'un matériau issu de la décomposition d'un gaz Invention de : PIQUE Didier DE BARROS Dominique Réacteur et procédé de dépôt contre un substrat d'un matériau issu de la décomposition d'un gaz La présente invention concerne le domaine des réacteurs et des procédés de dépôt par croissance d'un matériau issu d'un gaz sur une surface de dépôt d'un substrat et plus particulièrement de dépôt chimique en phase vapeur à haute température couramment dénommé par les initiales HTCVD. La présente invention concerne en particulier le dépôt d'au moins un matériau céramique, simple ou complexe, par exemple en carbure de silicium, en nitrure d'aluminium ou en nitrure de bore. De façon connue en soi, le gaz utilisé comprend généralement un gaz choisi pour générer le dépôt du ou des matériaux choisis, couramment dénommé gaz précurseur, mélangé avec un ou plusieurs gaz de dilution. La présente invention a pour objet un réacteur de dépôt d'au moins un matériau issu de la décomposition d'au moins un gaz, contre au moins une surface de réception d'au moins un substrat. Selon l'invention, le réacteur de dépôt peut comprendre un conduit longitudinal délimitant un canal d'écoulement du gaz entre une entrée d'admission du gaz et une sortie d'évacuation du gaz et définissant, dans le sens de l'écoulement du gaz, une première chambre, une seconde chambre dans laquelle est formée ladite surface de réception et une troisième chambre, au moins un premier moyen de chauffage associé à la première chambre en vue d'un pré-chauffage du gaz à une température intermédiaire, et au moins un second moyen de chauffage associé à la deuxième chambre en vue d'atteindre une température permettant la décomposition du gaz et le dépôt contre ladite surface de réception du matériau à déposer. Selon l'invention, le réacteur peut comprendre au moins un moyen d'homogénéisation d'écoulement et/ou de transfert thermique disposé dans la première chambre et apte à être traversé par le gaz. Selon l'invention, le moyen d'homogénéisation et/ou de transfert thermique peut être disposé transversalement à la première chambre et comprend au moins une plaque perforée et au moins une couche d'une matière poreuse. Selon l'invention, le réacteur peut comprendre au moins un moyen de répartition d'écoulement disposé dans la zone séparant la seconde chambre et la troisième chambre. Selon l'invention, le moyen de répartition d'écoulement peut comprendre un plateau perforé disposé transversalement. Selon l'invention, le réacteur peut comprendre au moins un moyen de déflection apte à former un espace d'écoulement réduit adjacent à au moins une partie de ladite surface de réception. Selon l'invention, le moyen de déflection peut être disposé dans la partie centrale du canal d'écoulement. Selon l'invention, le premier moyen de chauffage peut comprendre un inducteur qui entoure le conduit longitudinal dans la zone de ladite première chambre, la partie du conduit longitudinal entourant la première chambre constituant un induit. Selon l'invention, le second moyen de chauffage peut comprendre un inducteur qui entoure le conduit longitudinal dans la zone de ladite seconde chambre, la partie du conduit longitudinal entourant la première chambre constituant un induit. Selon l'invention, la partie dudit conduit longitudinal entourant la seconde chambre peut constituer au moins en partie le substrat de réception du dépôt. Selon l'invention, le moyen de déflection peut constituer au moins en partie un substrat de réception du dépôt. Selon l'invention, ledit conduit longitudinal peut définir une chambre intermédiaire entre la première chambre et la deuxième chambre. Selon l'invention, ladite chambre intermédiaire peut être exempte de moyen de chauffage. Selon l'invention, le réacteur peut comprendre une enceinte qui présente une paroi longitudinale extérieure entourant à distance du conduit longitudinal, une première paroi transversale sur laquelle est fixée l'extrémité amont de ladite conduit longitudinal pour l'alimentation en gaz au travers de cette paroi transversale et une seconde paroi transversale située à distance de l'extrémité aval de ladite conduit longitudinal, le moyen d'aspiration étant branché sur l'enceinte du côté de la seconde paroi transversale. Selon l'invention, le substrat de réception du dépôt peut être du graphite et la matière à déposer peut être du carbure de silicium. La présente invention a également pour objet un procédé de dépôt d'au moins un matériau issu de la décomposition d'au moins un gaz, contre au moins une surface de réception d'au moins un substrat. Selon l'invention, le procédé de dépôt peut comprendre : une circulation du gaz dans un conduit longitudinal d'écoulement de gaz entre une entrée d'admission du gaz et une sortie d'évacuation du gaz et définissant, dans le sens de l'écoulement du gaz, une première chambre, une seconde chambre dans laquelle est formée ladite surface de réception et une troisième chambre, une première élévation de la température du gaz dans ladite première chambre à une température intermédiaire, et une seconde élévation de la température du gaz dans ladite deuxième chambre à une température permettant la décomposition du gaz et le dépôt contre ladite surface de réception du matériau à déposer. Selon l'invention, le gaz peut traverser un moyen d'homogénéisation d'écoulement et/ou de transfert thermique disposé dans la première chambre. Selon l'invention, la concentration du ou des précurseurs issus de la décomposition du gaz, dans le volume adjacent à la surface de réception, peut être déterminée par au moins un moyen de déflection. Selon l'invention, ladite concentration est approximativement constante dans le volume adjacent à la surface de réception. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un réacteur de dépôt et de son mode de fonctionnement, décrits à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par la figure unique annexée. Le réacteur de dépôt 1 représenté, a pour but de réaliser un dépôt chimique en phase vapeur à haute température, dit HTCVD, d'un matériau issu d'un gaz précurseur, par exemple un dépôt de carbure de silicium issu de la décomposition d'un gaz précurseur de méthyltrichlorosilane (désigné généralement par ses initiales MTCS), mélangé à au moins un gaz de dilution tel que de l'hydrogène. Le réacteur 1 comprend, selon un axe XX' supposé vertical sur la figure, un conduit longitudinal 2 généralement de sections circulaires, formant un canal d'écoulement 3 d'un gaz, présentant en haut une entrée amont d'admission de gaz 2a et en bas une sortie aval d'évacuation de gaz 2b. Le conduit longitudinal 2 comprend, dans le sens de l'écoulement entre son entrée d'admission 2a et sa sortie d'évacuation 2b, une première partie 4 définissant une première chambre 5 dite de pré-chauffage, une partie intermédiaire 6 définissant une chambre intermédiaire 7, une deuxième partie 8 définissant une deuxième chambre 9 dite de décomposition et de dépôt et une troisième partie 10 définissant une troisième chambre 11. Le réacteur de dépôt 1 comprend un premier moyen de chauffage 12 associé à la première chambre 4 et un second moyen de chauffage 13 associé à la seconde chambre 9 Selon l'exemple décrit, le premier moyen de chauffage 12 est à induction et comprend un premier enroulement d'induction 14 relié par des fils de connexion électrique non représentés à une source électrique haute fréquence non représentée. Cet enroulement 14 est placé autour et à distance de la première partie 4 du conduit longitudinal 2, cette première partie 4 constituant un induit, par exemple en graphite. Selon l'exemple décrit, le second moyen de chauffage 13 est à induction et comprend un second enroulement d'induction 15 relié par des fils de connexion électrique non représentés à une source électrique haute fréquence non représentée. Cet enroulement 15 est placé autour et à distance de la seconde partie 8 du conduit longitudinal 2, cette seconde partie 4 constituant un induit, par exemple en graphite. Dans la première chambre 5 est disposé, transversalement, un moyen d'homogénéisation d'écoulement et de transfert thermique 16 qui comprend, à titre d'exemple, une plaque perforée 17, par exemple en graphite, portée par un épaulement annulaire intérieur 17a de la première partie 4 et, sur cette plaque et en amont, une couche 18 d'une matière poreuse par exemple en carbone vitreux. La partie intermédiaire 6 du conduit longitudinal 2 est par exemple en graphite. Entre la seconde chambre 9 et la troisième chambre 11, est disposé un plateau transversal perforé 19 dont, par exemple, la partie périphérique est insérée entre la seconde partie 8 et troisième partie 10 du conduit longitudinal 2. Ce plateau transversal 19 est par exemple en graphite. La plaque transversale 19 porte un déflecteur central 20 qui s'étend longitudinalement dans la seconde chambre 9, à distance de la paroi ou surface intérieure de la seconde partie 8 du conduit longitudinal 2. Ce déflecteur central 20 est par exemple en graphite. Selon un exemple particulier correspondant à celui représenté, le conduit longitudinal 2 peut être dimensionné de la manière suivante. La première partie 4 et une portion supérieure adjacente de la partie intermédiaire 6 peuvent être cylindriques et peuvent présenter le même diamètre intérieur. La portion inférieure de la partie intermédiaire 6 peut être tronconique et légèrement évasée vers le bas. La seconde partie 8 peut présenter une portion centrale 8a cylindrique et de diamètre sensiblement supérieur au diamètre de la sortie de la portion tronconique de la partie intermédiaire 6 et peut présenter des parties opposées d'extrémité 8b et 8c légèrement évasées vers le haut et vers le bas. Le déflecteur 20 peut être en forme d'ogive dont la pointe est vers l'amont ou le haut. Les perforations 19a du plateau transversal 19 peuvent être réparties entre la périphérie du déflecteur 20 et la paroi intérieure de la seconde partie 8 du conduit longitudinal 2. La troisième partie 10 peut être cylindrique et le diamètre intérieur peut être sensiblement égal au diamètre intérieur de la portion centrale 8a de la seconde partie 8. Selon un exemple indicatif, pour la réalisation d'un dépôt sur la face intérieure de la portion centrale 8a de la seconde partie 8 du conduit longitudinal 2, débordant sur les faces intérieures de ses portions 8b et 8c, on peut adopter les dimensions suivantes : le diamètre intérieur de la première partie 4 peut être égal à environ 80 millimètres et sa hauteur égale à environ 120 millimètres ; le diamètre intérieur de la portion supérieure de la partie intermédiaire 6 peut être égal au diamètre ci-dessus et sa hauteur égale à environ 50 millimètres ; la hauteur totale de la partie intermédiaire 6 peut être égale à environ 75 millimètres ; le diamètre intérieur de la portion centrale 8a de la seconde partie 8 peut être égal à environ 150 millimètres et sa hauteur égale à environ 80 millimètres ; la hauteur de la seconde partie 8 peut être égale à environ 110 millimètres, la hauteur de chacune des portions 8b et 8c de la partie seconde partie 8 étant égales à environ 15 millimètres ; le diamètre intérieur de la troisième partie 10 peut être égal à environ 150 millimètres et sa hauteur égale à environ 100 millimètres ; et la distance entre l'extrémité aval 2b du conduit longitudinal 2 et la paroi transversale 25 de l'enceinte 21 peut être égal à environ 50 millimètres. Le réacteur de dépôt 1 comprend en outre une enceinte 21, par exemple en acier inoxydable. L'enceinte 21 comprend une paroi transversale supérieure 22 à laquelle est reliée l'extrémité amont supérieure de la première partie 4 du conduit longitudinal 2 et qui présente une ouverture traversante 23 reliée à un dispositif d'alimentation de gaz 24, schématisé sur le dessin. L'enceinte 21 comprend une paroi transversale inférieure 25 qui s'étend à faible ou moyenne distance de l'extrémité aval inférieure de la troisième partie 10 du conduit longitudinal 2, de façon à ménager un espace d'écoulement de gaz radialement vers l'extérieur. L'enceinte 21 comprend une paroi longitudinale 26 reliant ses parois transversales 22 et 25 et qui s'étend à distance à la périphérie des enroulements 14 et 15. La troisième partie 10 du conduit longitudinal 2 et la paroi longitudinale 26 de l'enceinte 21 sont reliées par un plateau transversal annulaire perforé 27 qui définit, de part et d'autre, une chambre périphérique 28 dans laquelle sont confinés les enroulements 14 et 15 et une chambre aval 29 dans laquelle débouche la sortie 2b du canal 3 du conduit longitudinal 2. La paroi longitudinale 26 de l'enceinte 21 présente un passage traversant 30 qui débouche dans la chambre aval 29 et auquel est relié un moyen d'aspiration ou pompe 31, schématisé sur le dessin. La paroi longitudinale 26 de l'enceinte 21 présente un passage traversant 32 qui débouche dans la chambre périphérique 28 et auquel est reliée une source 33 de gaz neutre par exemple d'azote, schématisée sur le dessin. Le réacteur de dépôt 1 qui vient d'être décrit peut fonctionner de la manière suivante. Sous l'effet d'un moyen d'injection de gaz inclus dans le dispositif d'alimentation 24 et de la pompe 31, le gaz issu du dispositif d'alimentation 24 peut circuler dans le canal 3 du conduit longitudinal 2 entre son entrée 2a et sa sortie 2b puis au travers de la chambre amont 29. La structure du conduit longitudinal 2, du moyen d'homogénéisation 16, du plateau perforé 19 et du déflecteur 20 et les réglages de débit et de pression peuvent avantageusement permettre l'obtention d'un écoulement de préférence laminaire dans la seconde chambre 9 du canal 3 dans laquelle se produit le dépôt. Dans la première chambre 5, le gaz est pré-chauffé sous l'effet du premier moyen de chauffage 12, jusqu'à une température intermédiaire ne permettant pas de dépôt. Dans la seconde chambre 8, le gaz est encore chauffé sous l'effet du second moyen de chauffage 13, jusqu'à une température au moins supérieure à sa température de décomposition, de telle sorte que le matériau à déposer issu du gaz précurseur se dépose contre la paroi ou surface intérieure 34a de la seconde partie 8 pour former une couche déposée 34, préférentiellement contre la paroi ou surface intérieure de sa portion centrale 8a. Grâce notamment à la présence du déflecteur central 20, la concentration du ou des précurseurs issus de la décomposition du gaz peut avantageusement être approximativement constante du haut en bas de la portion centrale 8a dans le volume adjacent à cette portion, telle que l'épaisseur de la couche déposée 34 sur la portion centrale 8a peut être sensiblement égale du haut en bas. I1 se produit un dépôt adjacent sur les parois ou surfaces intérieures des portions 8a et 8b. Dans le cas décrit en exemple, selon lequel le gaz précurseur est du méthyltrichlorosilane (MTCS) et le gaz vecteur est de l'hydrogène (H2), avec un rapport hydrogène/méthyltrichlorosilane compris entre 1 et 10, le débit du gaz peut être compris entre environ 1,5 et 6 litres par minute et la pression dans le canal 3 peut être comprise entre 200 et 400 millibars. Le premier moyen de chauffage 12 peut être choisi et réglé de telle sorte que le gaz subisse une première élévation de la température pour atteindre une température intermédiaire assez largement inférieure à la température limite inférieure d'obtention d'un dépôt de carbure silicium, connue à environ 1100°C. Cette température intermédiaire en sortie de la première chambre 5 peut par exemple être comprise entre 600°C et 1000°C. Le second moyen de chauffage 13 peut être choisi et réglé de telle sorte que le gaz subisse une seconde élévation de la température et que, dans la zone de la portion centrale 8a de la partie 8 du conduit 2, la température du gaz dans la seconde chambre soit supérieure à la température de décomposition du méthyltrichlorosilane (MTCS) et de dépôt de carbure de silicium, par exemple qu'elle s'établisse entre environ 1150°C et 1400°C. Dans ces conditions, il se produit préférentiellement un dépôt de carbure de silicium contre la portion centrale 8a de la partie centrale 8, conduisant à l'obtention d'une couche 34 qui avantageusement peut devenir épaisse. Parallèlement, sous l'effet de la pompe 31 et d'un moyen d'injection de la source 33, il se produit une aspiration du gaz secondaire issu de la source 33 au travers de la chambre périphérique 28, des perforations 27 de la plaque annulaire 27 et de la chambre aval 29. Cette circulation de gaz secondaire a pour but de protéger les enroulements 12 et 13 et d'évacuer les éventuelles fuites du gaz au travers de la paroi du conduit longitudinal 2 Selon l'exemple qui vient d'être décrit, la seconde partie 8 du conduit longitudinal 2 constitue un substrat contre lequel la couche déposée 34 est obtenue. Cette seconde partie 8 constituant un substrat est préfabriquée à la forme souhaitée, puis installée pour former une partie du conduit longitudinal 2. Après l'opération de dépôt, la seconde partie 8 constituant un substrat est démontée pour être utilisée. En particulier, des opérations ultérieures peuvent être exécutées pour enlever la partie 8 constituant un substrat et ne conserver que la couche épaisse déposée 34 qui constitue alors une pièce ou un objet que l'on souhaitait obtenir. Ainsi, souhaitant réaliser une pièce particulière de formes et de dimensions particulières, on fabrique une seconde partie 8 constituant un substrat dont la paroi ou surface intérieure correspond à la paroi ou surface extérieure ou empreinte extérieure de la pièce à obtenir, cette seconde partie 8 comprenant en outre des prolongements de garde correspondant aux portions 8a et 8b. On insère cette seconde partie 8 entre la partie intermédiaire 6 et le plateau 19. Bien entendu, le réacteur 1 est par ailleurs dimensionné en fonction des dimensions de la pièce 8 formant substrat, par exemple selon des proportions basées sur les dimensions indiquées plus haut. En outre, les dimensions et la forme du déflecteur 20 peuvent être adaptées à la forme et aux dimensions de la paroi ou surface intérieure de la seconde partie 8 constituant un substrat. Le réacteur de dépôt 1 peut être appliqué à l'obtention d'un dépôt sur un substrat placé dans la partie centrale du canal 3 et porté par le plateau transversal 19. Dans ce cas, c'est la paroi intérieure de la seconde partie qui pourrait, par sa forme et ses dimensions, constituer un déflecteur de concentration. Le réacteur de dépôt 1 peut être appliqué à l'obtention de dépôts simultanés sur la surface intérieure d'un substrat périphérique et sur la surface extérieure d'un substrat central. Dans ce cas, ces surfaces constituent des déflecteurs mutuels. Le réacteur de dépôt 1 peut être appliqué à l'obtention de dépôts en toutes matières céramiques et/ou réfractaires en utilisant des gaz précurseurs appropriés et des gaz vecteurs appropriés, connus en soi. Les dépôts obtenus peuvent être minces ou épais. Ces dépôts peuvent être destinés à constituer des revêtements sur des substrats les recevant ou des pièces après enlèvement des substrats les recevant. Par ailleurs, le réacteur peut être équipé de moyens de rotation adaptés pour faire tourner sur lui-même le substrat recevant le dépôt. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. Bien des variantes sont possibles sans sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Réacteur de dépôt d'au moins un matériau issu de la décomposition d'au moins un gaz, contre au moins une surface de réception d'au moins un substrat, comprenant : un conduit longitudinal (2) délimitant un canal (3) d'écoulement du gaz entre une entrée (2a) d'admission du gaz et une sortie (2b) d'évacuation du gaz et définissant, dans le sens de l'écoulement du gaz, une première chambre (5), une seconde chambre (9) dans laquelle est formée ladite surface de réception (34a) et une troisième chambre (11), au moins un premier moyen de chauffage (12) associé à la première chambre en vue d'un pré-chauffage du gaz à une température intermédiaire, et au moins un second moyen de chauffage (13) associé à la deuxième chambre en vue d'atteindre une température permettant la décomposition du gaz et le dépôt contre ladite surface de réception du matériau à déposer. 2. Réacteur selon la revendication 1, comprenant au moins un moyen (16) d'homogénéisation d'écoulement et/ou de transfert thermique disposé dans la première chambre et apte à être traversé par le gaz. 3. Réacteur selon la revendication 2, dans lequel le moyen d'homogénéisation et/ou de transfert thermique est disposé transversalement à la première chambre et comprend au moins une plaque perforée et au moins une couche d'une matière poreuse. 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un moyen de répartition (19) d'écoulement disposé dans la zone séparant la seconde chambre et la troisième chambre. 5. Réacteur selon la revendication 4, dans lequel le moyen de répartition d'écoulement comprend un plateau perforé (19) disposé transversalement. 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un moyen de déflection (20) apte à former un espace d'écoulement réduit adjacent à au moins une partie de ladite surface de réception. 7. Réacteur selon la revendication 6, dans lequel le moyen de déflection est disposé dans la partie centrale du canal d'écoulement. 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier moyen de chauffage comprend un inducteur (12) qui entoure le conduit longitudinal dans la zone de ladite première chambre, la partie (4) du conduit longitudinal entourant la première chambre constituant un induit. 9. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second moyen de chauffage comprend un inducteur (13) qui entoure le conduit longitudinal dans la zone de ladite seconde chambre, la partie (8) du conduit longitudinal entourant la première chambre constituant un induit. 10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie dudit conduit longitudinal entourant la seconde chambre constitue au moins en partie un substrat de réception du dépôt. 11. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 10, dans lequel le moyen de déflection (20) constitue au moins en partie un substrat de réception du dépôt. 12. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit conduit longitudinal définit une chambre intermédiaire (7) entre la première chambre et la deuxième chambre. 13. Réacteur selon la revendication 12, dans lequel ladite chambre intermédiaire est exempte de moyen de chauffage. 14. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une enceinte (21) qui présente une paroi longitudinale extérieure (26) entourant à distance du conduit longitudinal, une première paroi transversale (22) sur laquelle est fixée l'extrémité amont (2a) de ladite conduit longitudinal pour l'alimentation en gaz au travers de cette paroi transversale et uneseconde paroi transversale (25) située à distance de l'extrémité aval (2b) de ladite conduit longitudinal, le moyen d'aspiration (31) étant branché sur l'enceinte du côté de la seconde paroi transversale. 15. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat de réception du dépôt (8) est du graphite et la matière à déposer est du carbure de silicium. 16. Procédé de dépôt d'au moins un matériau issu de la décomposition d'au moins un gaz, contre au moins une surface de réception d'au moins un substrat, comprenant : une circulation du gaz dans un conduit longitudinal (2) d'écoulement de gaz entre une entrée d'admission du gaz et une sortie d'évacuation du gaz et définissant, dans le sens de l'écoulement du gaz, une première chambre (5), une seconde chambre (9) dans laquelle est formée ladite surface de réception (34a) et une troisième chambre (11), une première élévation de la température du gaz dans ladite première chambre à une température intermédiaire, et une seconde élévation de la température du gaz dans ladite deuxième chambre à une température permettant la décomposition du gaz et le dépôt contre ladite surface de réception (34a) du matériau à déposer. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel le gaz traverse un moyen (16) d'homogénéisation d'écoulement et/ou de transfert thermique disposé dans la première chambre. 18. Procédé selon l'une des revendications 16 et 17, dans lequel la concentration du ou des précurseurs issus de la décomposition du gaz, dans le volume adjacent à la surface de réception (34a), est déterminée par au moins un moyen de déflection (20). 19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel ladite concentration est approximativement constante dans le volume adjacent à la surface de réception (34a).