Brevet FR2932059A1 — publié le 20091204

L'invention concerne un système de traitement par plasma d'un fluide ou mélange de fluides notamment gazeux, dans lequel on crée un plasma à partir du fluide ou mélange de fluides de manière à provoquer la rupture d'au moins certaines des liaisons chimiques des molécules de fluides (par exemple des molécules de type PFC ou HFC) et provoquer la création de nouvelles molécules plus faciles à éliminer. Au cours de la fabrication des circuits intégrés, les multiples étapes de réalisation des éléments semi-conducteurs et de leurs interconnexions font appel à des substances à l'état gazeux utilisées dans des implanteurs ioniques ou des réacteurs de gravure ou de dépôt physique ou chimique (� PVD � ou � CVD >>). Certaines de ces substances peuvent être des gaz dits à � effet de serre � c'est-à-dire contribuant au réchauffement global du climat lorsqu'ils sont présents dans l'atmosphère, tels que notamment certains dérivés fluorés, en particulier les gaz connus sous l'appellation �PFC � (gaz perfluorés) ou � HFC � (gaz hydrofluorocarbonés), ou certains fluides et notamment certains gaz polluants atmosphériques immédiatement dangereux pour la vie ou la santé, et plus particulièrement ceux qui sont toxiques, corrosifs, inflammables, pyrophoriques et/ou explosifs. D'une manière générale, dans la fabrication des semi-conducteurs tous les gaz dits � précurseurs � de dépôt et tous les gaz de gravure, de nettoyage de réacteurs, etc... sont récupérés à la sortie des réacteurs sous forme de mélanges et ces effluents doivent être traités. Dans d'autres applications comme la fabrication d'écrans plats du type plasma ou LCD, ou encore celle de cellules photovoltaïques, on utilise également des gaz et un certain nombre de précurseurs gazeux ou délivrés sous forme de vapeurs lorsqu'ils sont initialement à l'état liquide ou solide. Dans d'autres applications, comme la séparation des gaz de l'air ou la purification de gaz tels que le krypton ou le xénon provenant du résidu de distillation d'une colonne argon dans une usine de séparation des gaz de l'air ou directement extraits d'un mélange issu d'une nappe souterraine, le gaz obtenu comporte une faible quantité de gaz fluorés tels que par exemple CF4 ou C2F6 qu'il est nécessaire d'éliminer au mieux du gaz à purifier. Pour détruire les gaz à effet de serre ou les gaz précurseurs de dépôt issus de ces réacteurs de fabrication de circuits intégrés, il est connu par exemple de EP-A-874537 d'utiliser des plasmas à pression atmosphérique qui sont engendrés par couplage d'une onde électromagnétique ultra haute fréquence (UHF) ou hyperfréquence (micro-onde ou MW) transportée dans un guide d'onde jusqu'à un système �applicateur� de l'onde au mélange gazeux qui permet de créer le plasma gazeux. Compte tenu du fait que l'utilisation des ondes électromagnétiques est très réglementée (en raison des interférences potentielles avec les télécommunications civiles et militaires), seules quelques bandes UHF ou micro-ondes sont disponibles et autorisées pour les utilisations industrielles, scientifiques et médicales (ISM) et en particulier pour la réalisation de ces plasmas, et notamment les fréquences 2,45 GHz, 915 MHz, 434 MHz. Les effluents gazeux tels que notamment les effluents de type PFC ou HFC émanant des chambres de gravure sont systématiquement dilués dans de l'azote au niveau des pompes à vide primaire à cause de leur dangerosité. Le mélange de gaz entrant dans un système de traitement ou de destruction d'effluents du type susnommé est donc majoritairement constitué d'azote. Lors de la fabrication de semi-conducteurs dans une usine moderne, les plaquettes de semi- conducteurs sont introduites au cours d'une multitude d'étapes successives dans des réacteurs (de type � PVD � ou � CVD �) pour y subir un traitement particulier (dépôt, etc...) au cours de chaque étape. Au cours de ce traitement ou après celui-ci, des fluides sont introduits dans le réacteur puis évacués à la fin de l'étape par l'intermédiaire d'une pompe à vide vers un système de traitement des effluents, notamment un système de traitement par plasma selon l'invention. Entre ces différentes étapes, aucun fluide n'est évacué du réacteur. Il s'ensuit des périodes au cours desquelles des fluides, notamment des gaz de type PFC et/ou HFC, dilués généralement dans un gaz inerte et notamment de l'azote, sont introduits dans le système de traitement des effluents et des périodes pendant lesquelles aucun fluide n'est introduit dans le système, et ceci bien que plusieurs réacteurs (souvent jusqu'à quatre) soient branchés en parallèle sur l'entrée du système de traitement. Ces périodes pendant lesquelles aucun fluide n'est introduit dans le système de traitement par plasma sont mises à profit pour mettre celui-ci en régime de veille, avec l'injection d'un faible débit d'azote pour maintenir le plasma allumé, les vannes disposées après les pompes étant alors placées dans une deuxième position qui connecte directement la sortie des réacteurs à la sortie du système de traitement par plasma. Lorsqu'un traitement est détecté dans l'un des réacteurs par les moyens électroniques de commande du système (par exemple, ouverture de vannes de fluides en amont des réacteurs) chaque vanne (multi positions) en sortie de pompes (qui correspond à un réacteur qui va réaliser une étape du procédé) est alors commutée dans sa première position permettant de relier la sortie de la pompe à l'entrée du système de traitement. Il s'ensuit un effet de pompage du flux gazeux à contre-courant dans le système de traitement, notamment lorsque ce système fonctionne à pression atmosphérique (ou voisine de celle-ci) alors que les réacteurs fonctionnent à des pressions de quelques dizaines de Pascal. Ce flux à contre-courant provoque une remontée de la �flamme� plasma, l'extinction de la flamme et du système de traitement. Ceci provoque alors automatiquement l'arrêt de l'équipement de production de semi-conducteurs, ce qui est très préjudiciable au rendement de l'équipement de production. Les inventeurs ont également constaté que, de manière inattendue, ces perturbations avaient un certain nombre d'effets néfastes sur les caractéristiques physiques de la paroi interne du tube céramique utilisé généralement pour créer le plasma lorsqu'on utilise une source d'énergie micro-ondes dans ce but. On constate que le plasma créé n'est plus homogène sur toute la hauteur du tube : il peut se trouver délocalisé, ce qui entraîne une surcharge thermique localisée (et un risque de rupture du tube) et/ou une altération du taux de destruction des molécules de type PFC ou HFC. On a également constaté, que lorsque le système plasma fonctionnait à puissance nominale sans injection de PFC ou de HFC dans le tube, on engendrait une quantité non négligeable de NOx, espèce nuisible également pour l'environnement. Le problème qui se pose est donc d'éviter ou de limiter les effets d'écoulement de fluide à contre courant de l'écoulement d'un réacteur vers le système de traitement lors d'une période de commutation d'une vanne multivoie, notamment d'une seconde positon de by-pass du dispositif de traitement par plasma vers une première position d'alimentation directe dudit dispositif de traitement par au moins un réacteur. D'une manière générale, le problème à résoudre est de limiter les effets des régimes transitoires sur le système notamment en ce qui concerne les variations de pression des fluides lors de la commutation des différentes voies d'alimentation du système de traitement par plasma. Pour résoudre le problème ainsi posé, le système de traitement par plasma d'un fluide ou mélange de fluides notamment gazeux selon l'invention se propose de lisser les régimes transitoires pour supprimer (ou au moins limiter) leurs effets sur la géométrie du plasma et/ou son positionnement dans le tube. Pour cela, il comporte notamment : - au moins une source de fluide ou mélange de fluides à traiter ; - des moyens de traitement de fluide par plasma permettant de créer un plasma à partir du fluide ou mélange de fluides à traiter en provoquant la rupture d'au moins certaines des liaisons chimiques des molécules de fluide ou mélange de fluides ; - au moins une vanne multivoie disposée entre au moins une source de fluides à traiter et les moyens de traitement par plasma ; - des moyens de commande de vanne multivoie permettant de placer chaque vanne multivoie dans une première position de communication directe de la source de fluide avec les moyens de traitement plasma ou dans une seconde position permettant de relier directement la source à la sortie des moyens de traitement par plasma; - au moins un dispositif limiteur de débit de fluide disposé soit entre la première sortie d'une vanne multivoie et l'entrée et/ou la sortie des moyens de traitement par plasma, et/ou soit entre la seconde sortie d'une vanne multivoie et la sortie des moyens de traitement par plasma. En général, le système comporte une pluralité de sources de fluide à traiter constituées chacune par une chambre de traitement pour la fabrication de semi-conducteurs. De préférence, les sources sont connectées et peuvent engendrer un fluide ou mélange de fluides indépendamment les unes des autres. Selon un mode préférentiel de réalisation, les moyens de traitement de fluide par plasma comportent une source de puissance micro-onde, un tube dans lequel s'écoule le fluide à traiter et des moyens de couplage de la source micro-onde et du fluide en écoulement dans le tube, de manière à créer le plasma dans le tube. Selon une variante préférentielle, une vanne multivoie est disposée entre chaque source de 15 fluide et les moyens de traitement de fluide par plasma. Selon une autre variante préférentielle, chaque sortie correspondant à la première position de chaque vanne multivoie est connectée à l'entrée des moyens de traitement de fluide par plasma. De préférence, le débit de chaque source de fluide est aléatoire, avec des périodes pendant lesquelles ce débit est nul. 20 Selon une autre variante, lorsque le débit de la source est nul, les moyens de commande de vanne multivoie placent ladite vanne dans sa seconde position, les moyens de traitement par plasma étant maintenus actifs par injection d'un débit de maintien d'azote ou d'air sec. Selon une variante préférentielle, chaque limiteur de débit est choisi parmi un orifice calibré, une vanne manuelle à pointeau, une capacité volumique, un clapet anti retour, un régulateur de débit 25 et/ou un déverseur. De préférence, au moins un limiteur de débit est placé dans le circuit fluide correspondant à la première position de la vanne mufti position et dans le circuit fluide correspondant à la deuxième position de ladite vanne. Parmi les différentes solutions possibles, deux combinaisons de différents moyens se sont 30 avérées particulièrement efficaces. Une première combinaison d'un orifice calibré (de diamètre sensiblement inférieur à celui de la ligne dans laquelle il est inséré) monté entre la sortie de la seconde position de la vanne multivoie et la sortie du système de traitement par plasma, associé à une capacité à inversion de flux connectée entre la sortie de la première position de la vanne multivoie et l'entrée du dispositif de traitement, combinaison à laquelle on associe un débit de recouvrement additionnel en gaz inerte (notamment azote) d'une valeur comprise entre le débit de maintien du plasma dans le système de traitement plasma et le débit nominal de fonctionnement dudit système plasma. Une seconde combinaison dudit orifice calibré installé comme dans la première combinaison associée à un clapet anti-retour connecté entre la sortie de la première position de la vanne multivoie et l'entrée du dispositif de traitement, combinaison à laquelle on associe un débit de recouvrement additionnel en gaz inerte (notamment azote) d'une valeur comprise entre le débit de maintien du plasma dans le système de traitement plasma et le débit nominal de fonctionnement dudit système plasma. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent : - la figure 1, une vue schématique globale du système selon l'invention - la figure 2, une vue schématique des variations de débit de fluide à travers le système de traitement plasma lors de la commutation d'une vanne. Sur la figure 1 est schématisé un système de traitement plasma comportant en outre les modifications nécessaires pour la mise en oeuvre de l'invention. L'ensemble des réacteurs de fabrication de semi-conducteurs d'un client est schématisé par le repère 1 comportant dans le présent exemple quatre chambres de traitement sous vide dont seules les lignes de sortie de fluides 3 sont représentées sur la figure. Chaque ligne fluide 3 est connectée à une pompe à vide 2 dont la sortie est reliée par la ligne fluide 5 à l'entrée d'une vanne trois voies 4. La sortie directe (première position) de chaque vanne 4 est reliée par chaque ligne fluide 7 et la ligne commune 6 à l'entrée du dispositif 8 de traitement par plasma dont la sortie rejoint par la ligne fluide 9 la ligne fluide 13 issue de la sortie de la restriction (orifice calibré par exemple) 14 , elle même alimentée par l'ensemble des lignes fluides de sortie 12 de chaque vanne trois voies 4, lesdites lignes fluides étant connectées à la sortie dérivée(deuxième position) desdites lignes. Les lignes 12 et 13 ainsi que la restriction 14 sont encore qualifiées de ligne �by-pass� du système de traitement par plasma. A l'entrée du système 8 est également connectée une ligne de fluide inerte de maintien du plasma 17 (azote ou air sec par exemple). Les deux lignes fluides 9 et 13 sont reliées entre elles et à l'entrée du système 10 de 30 �nettoyage� des fluides gazeux (nettoyage sec et/ou humide), dont la sortie est reliée par la ligne fluide 11 à la canalisation générale de récupération et d'extraction des gaz de l'usine. Sur la figure 1 sont indiquées cinq zones préférentielles A, B, C, D, E dans lesquelles on va implémenter un ou plusieurs systèmes limiteur de débit de fluide notamment gazeux afin de réduire ou de supprimer les variations de pression de fluide lors d'une commutation d'une vanne trois voies, notamment lors d'une commutation d'une position de �by-pass � vers une position de connexion du flux issu des réacteurs vers le système de traitement plasma. Dans chacune de ces zones on peut placer au moins un des dispositifs limiteurs cités plus haut, notamment de la manière suivante : - Dans la zone A on peut placer au moins un de ces dispositifs en sortie d'au moins une vanne trois voies (par exemple celle au moins du réacteur le plus souvent utilisé puis arrêté) dans la première position de cette vanne lorsqu'on veut obtenir un effet essentiellement lors de la fermeture de la vanne (passage de la position traitement de procédé vers la position de �by-pass � du système de traitement plasma) et/ou dans la seconde position de cette vanne pour obtenir un effet dominant lors de l'ouverture de la vanne (passage de la seconde position à la première) ; - Dans la zone B pour obtenir un effet dominant dans la phase d'ouverture de l'une des vannes ; - Dans la zone C pour obtenir un effet dominant lors de la fermeture de l'une des vannes ; - Dans la zone D pour obtenir un effet dominant lors de la fermeture de l'une des vannes ; - Dans la zone E pour obtenir un effet dominant lors de l'ouverture de l'une des vannes. L'homme du métier pourra combiner les effets obtenus en utilisant un ou plusieurs 20 dispositifs en une ou plusieurs zones décrites ci avant. Sur la figure 2 sont représentées les différentes variations de débit au travers du système de traitement par plasma avant implémentation de l'invention et après implémentation de celle-ci, selon deux variantes préférentielles. La courbe a représente ces variations lorsque l'on commute le système d'un régime dans 25 lequel aucun effluent ne sort d'un réacteur à un régime dans lequel un réacteur évacue des gaz à traiter. On voit sur cette courbe a des � oscillations � brutales de débit ou alternent des débits très forts suivis par des débits très faibles, allant même jusqu'à un débit négatif (dans le bas de la courbe a). La courbe b représente le même phénomène mais avec incorporation d'un dispositif d'équilibrage de perte de charge dans la zone B par exemple : on voit sur la courbe que les grands 30 écarts de pression ont été supprimés et que le passage du niveau de débit de maintien (position � stand-by �) au niveau dans lequel un réacteur et donc une pompe fonctionnent s'effectue sans rebond mais avec une légère retombée de débit à mi-parcours. La courbe c montre une solution encore améliorée dans laquelle on a rajouté à la solution précédente (courbe b) un débit de gaz inerte (azote) supplémentaire dans la ligne fluide du dispositif plasma avant de réaliser la commutation de la vanne trois voies ; on constate à mi parcours un léger dépassement temporaire du débit mais sans aucune diminution du débit en deçà du débit nominal avec une pompe en fonctionnement. EXEMPLES : Les exemples de réalisation ci-après décrivent deux réalisations ayant permis de supprimer toute perturbation lors de la commutation des vannes, que ce soit lors de la mise en position d'attente de l'appareil de traitement ou lors du retour (première position) en position de traitement des effluents. EXEMPLE 1 : Dans le système schématisé sur la figure 1, on a placé dans la zone A un orifice calibré de 10 mm (pour une ligne de diamètre nominal de 25 mm) en sortie de deuxième position de chaque vanne 4. Cet orifice n'engendre que 2 mbar de perte de charge dans la ligne. On a placé également une capacité de 10 litres à flux inversé dans la zone C (à l'entrée du dispositif de traitement) de forme rectangulaire, ainsi qu'une injection additionnelle d'azote au moins avant la commutation de la vanne concernée d'au moins un débit d'une valeur comprise entre 30 et 50 litres par minute (mesurés dans les conditions normales de température et de pression). On obtient ainsi une courbe telle que la courbe C sur la figure 2 lors de la commutation. EXEMPLE 2 : La même solution que dans l'exemple 1 est appliquée, à l'exception du remplacement de la capacité de 10 litres par un clapet anti retour disposé lui aussi à l'entrée du dispositif de traitement par 20 plasma. On notera par ailleurs que si tout système de traitement de fluides notamment de gaz par plasma peut convenir pour l'application de l'invention, on utilisera cependant de préférence un système du type plasma à onde de surface fonctionnant à pression atmosphérique ou voisine de la pression atmosphérique. REVENDICATIONS1. Système de traitement par plasma d'un fluide ou mélange de fluides notamment gazeux comportant : - au moins une source (1) de fluides ou mélange de fluides à traiter ; - des moyens de traitement (8) de fluide par plasma permettant de créer un plasma à partir du fluide ou mélange de fluides à traiter en provoquant la rupture d'au moins certaines des liaisons chimiques des molécules de fluide ou mélange de fluides ; - au moins une vanne (4) multivoie disposée entre au moins une source de fluides à traiter et 10 les moyens (8) de traitement par plasma ; - des moyens de commande de vanne multivoie permettant de placer chaque vanne multivoie dans une première position de communication directe de la source de fluide avec les moyens de traitement plasma ou dans une seconde position permettant de relier directement la source à la sortie des moyens de traitement par plasma; 15 - au moins un dispositif limiteur de débit de fluide disposé soit entre la première sortie d'une vanne multivoie et l'entrée et/ou la sortie des moyens de traitement par plasma, soit entre la seconde sortie d'une vanne multivoie et la sortie des moyens de traitement par plasma. 2. Système selon la revendication 1, comportant une pluralité de sources de fluides à 20 traiter constituées chacune par une chambre de traitement pour la fabrication de semi-conducteurs. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel les sources sont connectées et peuvent engendrer un fluide ou mélange de fluides indépendamment les unes des autres. 25 4. Système selon d'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de traitement de fluide par plasma comportent une source de puissance micro-onde, un tube dans lequel s'écoule le fluide à traiter et des moyens de couplage de la source micro-onde et le fluide en écoulement dans le tube, de manière à créer le plasma dans le tube. 30 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une vanne multivoie (4) est disposée entre chaque source de fluides et les moyens (8) de traitement de fluide par plasma. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel chaque sortie correspondant à la première position de chaque vanne multivoie est connectée à l'entrée des moyens de traitement de fluide par plasma. 7. Système selon d'une des revendications 1 à 6, dans lequel le débit de chaque source de fluide est aléatoire, avec des périodes pendant lesquelles ce débit est nul. 8. Système selon la revendication 7 dans lequel, lorsque le débit de la source est nul, les moyens de commande de vanne multivoie placent ladite vanne dans sa seconde position, les moyens de traitement par plasma étant maintenus actifs par injection d'un débit de maintien d'azote ou d'air sec. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel chaque limiteur de débit est choisi parmi un orifice calibré, une vanne manuelle à pointeau, une capacité volumique, un clapet anti retour, un régulateur de débit et/ou un déverseur. 10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un limiteur de débit est placé dans le circuit fluide correspondant à la première position de la vanne multi position et à la deuxième position de ladite vanne.20