Brevet FR3017425A1 — publié le 20150814

Système de pompage et procédé de descente en pression dans un sas de chargement et de déchargement La présente invention concerne un système de pompage et un procédé de descente en pression dans un sas de chargement et de déchargement (ou « load-lock » en anglais) d'un substrat, tel qu'un écran plat d'affichage (« ou flat panel display » en anglais) ou un substrat photovoltaïque, depuis une pression atmosphérique vers une basse pression pour le chargement et le déchargement du substrat dans une chambre de traitement maintenue à basse pression. Dans certains procédés de fabrication, une étape importante consiste à traiter un substrat sous atmosphère contrôlée à basse pression dans une chambre de traitement. Pour maintenir une cadence acceptable et pour éviter la présence de toute impureté et de toute pollution, l'atmosphère environnant le substrat est d'abord descendu à basse pression dans un sas de chargement et de déchargement communiquant avec la chambre de traitement. Pour cela, le sas comporte une enceinte étanche dont une première porte met en communication l'intérieur de l'enceinte avec une zone sous pression atmosphérique, telle qu'une salle blanche, pour le chargement d'au moins un substrat. L'enceinte du sas est raccordée à un groupe de pompage permettant de descendre la pression dans l'enceinte jusqu'à atteindre une basse pression appropriée similaire à celle régnant dans la chambre de traitement de manière à pouvoir transférer le substrat vers la chambre de traitement. Le sas comporte en outre une deuxième porte pour le déchargement du substrat dans la chambre de traitement après avoir été mis sous vide. Ce même sas est généralement également utilisé pour la remontée en pression du substrat à l'issue de son traitement, et son déchargement à pression atmosphérique. On comprend cependant que chaque chargement de substrats nécessite de descendre puis de remonter alternativement la pression dans l'enceinte du sas, en un temps relativement court pour atteindre la basse pression souhaitée. Cette contrainte est d'autant plus difficile à respecter pour des substrats de grande dimension. Tel est le cas notamment, pour la fabrication des écrans plats d'affichage ou de substrats photovoltaïques, l'enceinte du sas ayant nécessairement le volume approprié pour contenir un ou plusieurs écrans plats. Par exemple, actuellement, les enceintes des sas utilisées pour la fabrication des écrans plats présentent des volumes généralement de l'ordre de 500 à 1000 litres, dépassant parfois 5000 litres, qu'il faut donc pomper le plus rapidement possible. Comme il s'agit d'abaisser la pression dans l'enceinte depuis une pression élevée vers une basse pression, la solution de pompage doit être performante aussi bien à haute qu'à basse pression afin de limiter le temps du pompage jusqu'à la basse pression souhaitée. Cet objectif peut s'avérer difficilement atteignable car il fait appel à des caractéristiques de pompes à vide à priori antagonistes. En effet, au début du pompage, les rotors des pompes à vide subissent généralement un ralentissement temporaire de la vitesse de rotation, permettant l'absorption de la surcharge occasionnée par le pompage à haute pression. Une fois l'excès de charge évacué, la rotation peut accélérer jusqu'à atteindre les performances maximales de la pompe. On préfère donc des pompes de faible inertie, ce qui facilite leur mise en rotation et la ré-accélération après la phase de ralentissement. Les pompes de faible inertie sont en général de petites dimensions et présentent un débit volumétrique relativement faible. Aussi, les performances de pompage des pompes de faible inertie sont limitées et peuvent ne pas permettre d'atteindre les basses pressions souhaitées dans le délai imparti. En outre, dans certains cas, un flux de gaz est injecté entre l'enceinte du sas et la pompe pendant ou à la fin du pompage. Egalement, les parois de l'enceinte ou les surfaces des substrats peuvent libérer un flux de dégazage non négligeable. Ces débits de gaz supplémentaires qui sont contraignants surtout à basse pression, font qu'il est alors préférable d'utiliser des pompes présentant de fortes capacités de pompage à basse pression, présentant notamment de grandes dimensions. Cependant, ces pompes de grandes dimensions présentent en général une forte inertie, ce qui les rend relativement inefficaces au début du pompage à haute et moyenne pression. Un des buts de la présente invention est de proposer un système de pompage et un procédé de descente en pression dans un sas de chargement et de déchargement, qui résolvent à moindres coûts et au moins en partie les inconvénients de l'état de la technique. A cet effet, l'invention a pour objet un système de pompage destiné à être raccordé à une enceinte de sas de chargement et de déchargement d'un substrat, comportant au moins un premier et un deuxième dispositifs de pompage en vide primaire montés en parallèle et configurés pour pomper simultanément l'enceinte du sas de chargement et de déchargement du substrat, caractérisé en ce que les deux dispositifs de pompage en vide primaire présentent des caractéristiques de pompage distinctes, la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire étant distincte de la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire. En utilisant par exemple un dispositif de pompage en vide primaire de forte inertie en parallèle d'un dispositif de pompage en vide primaire de faible inertie, au début du pompage, la rotation des rotors des deux dispositifs de pompage en vide primaire va ralentir pour permettre l'absorption de la surcharge occasionnée par le pompage haute pression. Une fois l'excès de charge évacué, le dispositif de pompage en vide primaire de faible inertie va pouvoir ré-accélérer plus rapidement que le dispositif de pompage en vide primaire de forte inertie pour atteindre son plein régime. L'accélération de la rotation du dispositif de pompage en vide primaire de forte inertie sera plus lente mais permettra d'atteindre des débits volumétriques importants à basse pression afin de pouvoir respecter le délai imparti pour atteindre la pression souhaitée. Le système de pompage permet ainsi de bénéficier des avantages et de compenser les points faibles de chaque dispositif de pompage pour obtenir rapidement la pression souhaitée, à un coût maîtrisé. Selon un exemple de réalisation, le système de pompage comporte au moins un dispositif de pompage en vide primaire présentant une vitesse de pompage maximum supérieure ou égale à 2000m3/h, désigné par « dispositif de pompage en vide primaire de forte inertie », et au moins un dispositif de pompage en vide primaire présentant une vitesse de pompage maximum inférieure à 2000m3/h, désigné par « dispositif de pompage en vide primaire de faible inertie ». Selon un exemple de réalisation, l'écart entre la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire et la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire, est supérieur à 10%. Selon un exemple de réalisation, l'écart entre la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire et la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire, est supérieur à 500 m3/h. Par exemple, l'écart entre la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire et la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire est compris entre 500 et 3500 m3/h. La différence entre les dispositifs de pompage en vide primaire est ainsi suffisamment importante pour qu'un premier dispositif de pompage en vide primaire soit plus performant que le deuxième dispositif de pompage en vide primaire à basse pression et réciproquement à haute pression. Selon un exemple de réalisation, le système de pompage comporte au moins deux premiers ou deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire présentant des caractéristiques de pompage sensiblement identiques. Selon un exemple de réalisation, au moins un dispositif de pompage en vide primaire comporte un groupe de pompage. L'invention a aussi pour objet un procédé de descente en pression dans une enceinte de sas de chargement et de déchargement caractérisé en ce qu'on pompe simultanément l'enceinte de sas de chargement et de déchargement du substrat au moyen d'au moins deux dispositifs de pompage en vide primaires montés en parallèle et présentant des caractéristiques de pompage distinctes, la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire étant distincte de la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique d'un système de pompage raccordé à une enceinte de sas de chargement et de déchargement, la figure 2 est un graphique sur lequel on a représenté la vitesse de pompage (en m3/h) d'un premier dispositif de pompage en vide primaire en fonction de la pression (Courbe A, en mbar) et la vitesse de pompage (en m3/h) d'un deuxième dispositif de pompage en vide primaire en fonction de la pression (Courbe B, en mbar), et la figure 3 est un graphique sur lequel on a représenté des courbes de descente en pression (en mbar) en fonction du temps (en secondes) dans une enceinte de sas de chargement et de déchargement pour différentes configurations de pompage. Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. La figure 1 montre un exemple de système de pompage 1 raccordé à une enceinte 2 de sas de chargement et de déchargement (ou « load lock » en anglais). De façon connue en soi, l'enceinte 2 de sas de chargement et de déchargement présente une première porte 4 mettant en communication l'intérieur de l'enceinte 2 avec une zone sous pression atmosphérique, telle qu'une salle blanche, pour le chargement d'au moins un substrat 5 de grande dimension, tel qu'un écran plat d'affichage (« flat panel display » en anglais) ou un substrat photovoltaïque. De telles enceintes présentent un volume généralement compris entre 500 et 5000 litres. L'enceinte 2 comporte en outre une deuxième porte 6 pour le déchargement du substrat 5 dans une chambre de traitement 7 après mise sous vide, ainsi qu'un dispositif d'introduction d'un gaz neutre 8, notamment pour le retour à la pression atmosphérique dans l'enceinte 2 après le transfert du substrat 5. Le système de pompage 1 comporte au moins un premier et un deuxième dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a, 9b, 10b montés en parallèle, configurés pour pomper simultanément l'enceinte 2. On désigne par dispositif de pompage en vide primaire, un dispositif de pompage volumétrique dans lequel le gaz à pomper est aspiré, comprimé puis refoulé, pour l'obtention d'un vide primaire, c'est-à-dire pour l'obtention d'une pression comprise entre 102 et 10-1 Pa. Le dispositif de pompage en vide primaire peut fonctionner dès la pression atmosphérique, par opposition à dispositif de pompage de type turbomoléculaire. Le dispositif de pompage en vide primaire peut être une pompe à vide primaire ou un groupe de pompage. Un groupe de pompage comporte plusieurs pompes à vide montées en série que l'on désigne par pompe à vide primaire et pompe à vide secondaire en référence à leur position dans la série, la pompe à vide secondaire étant agencée en amont de la pompe à vide primaire. Le montage en parallèle des dispositifs de pompage en vide primaire est assuré par le raccordement des entrées respectives des dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a, 9b, 10b à l'enceinte 2 par une ligne de vide 11 comportant une vanne d'isolation 12 permettant l'isolation des dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a, 9b, 10b, notamment pour la remontée à pression atmosphérique dans l'enceinte 2. Ce montage est tel qu'au cours de la descente en pression, le gaz à pomper provenant de l'enceinte 2, circule en même temps et en parallèle à travers tous les dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a, 9b, 10b. On prévoit en outre que la ligne de vide 11 présente sensiblement la même conductance entre l'enceinte 2 et l'entrée respective des dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a, 9b, 10b pendant la descente en pression. La ligne de vide 11 est notamment dépourvue de dispositifs spécifique dit de pompage lent (ou « soft pumping » en anglais). Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le système de pompage 1 comporte quatre dispositifs de pompage en vide primaires 9a, 10a, 9b, 10b, tels que des groupes de pompage comportant respectivement une pompe à vide primaire et une pompe à vide secondaire, la pompe à vide secondaire étant montée en série et en amont de la pompe à vide primaire dans le sens d'écoulement des gaz à pomper. La pompe à vide primaire comporte par exemple une pompe à vide sèche multiétagée, à lobes rotatifs tels que de type Roots ou d'un principe similaire, tel que de type Claw. De façon générale, une pompe à vide à lobes rotatifs " Roots " comprend deux rotors de profils identiques, portés par deux arbres s'étendant dans les étages de pompage et entraînés par un moteur pour tourner à l'intérieur d'un stator en sens opposé. Lors de la rotation, le gaz aspiré est emprisonné dans l'espace libre compris entre les rotors et le stator, puis il est refoulé. Le fonctionnement s'effectue sans aucun contact mécanique entre les rotors et le stator de la pompe à vide primaire, ce qui permet l'absence totale d'huile dans les étages de pompage. La pompe à vide secondaire est, comme la pompe à vide primaire, une pompe à vide volumétrique, c'est-à-dire qui, à l'aide de pistons, rotors, palettes, soupapes, aspire, transfère puis refoule le gaz à pomper. La pompe à vide secondaire est par exemple une pompe à vide sèche monoétagée (ne présentant qu'un étage de pompage), à lobes rotatifs tel que de type Roots ou d'un principe similaire, tel que de type Claw. En outre, au moins un premier et au moins un deuxième dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a, 9b, 10b présentent des caractéristiques de pompage distinctes. Dans l'exemple représenté en figure 1, deux premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 9b présentent des caractéristiques de pompage distinctes de deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a, 10b. Plus précisément, la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum des premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 9b est distincte de la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum des deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a, 10b. Les caractéristiques de pompage sont généralement définies par la distribution des vitesses de pompage en fonction de la pression telles que représentées par les courbes A et B sur la figure 2. Cette distribution est généralement une donnée du constructeur. Ainsi, les dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 9b ou 10a et 10b, présentant respectivement des caractéristiques de pompage sensiblement identiques sont présentés comme identiques par le constructeur mais peuvent différer légèrement du fait des fluctuations de fabrication. En revanche, des dispositifs de pompage en vide primaire présentant des caractéristiques de pompage distinctes sont des dispositifs de pompage identifiés comme des modèles différents par le constructeur. On considère que les dispositifs de pompage en vide primaire 9a et 9b ou 10a et 10b présentent des caractéristiques de pompage identiques si l'écart entre la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire 9a et la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire 9b, est inférieur à 10%. Autrement dit, les dispositifs de pompage en vide primaire 9a et 10a présentant des caractéristiques de pompage distinctes, présentent un écart entre les pressions correspondant à la vitesse de pompage maximum supérieur à 10%. Le système de pompage comporte par exemple au moins un dispositif de pompage en vide primaire 9a présentant une vitesse de pompage maximum supérieure ou égale à 2000m3/h, désigné par « dispositif de pompage en vide primaire de forte inertie », et au moins un dispositif de pompage en vide primaire 10a présentant une vitesse de pompage maximum inférieure à 2000m3/h, désigné par « dispositif de pompage en vide primaire de faible inertie ». En outre, on prévoit par exemple que l'écart entre la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire et la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire, soit supérieur à 500 m3/h, tel que compris entre 500 et 3500 m3/h. La différence entre les dispositifs de pompage en vide primaire est ainsi suffisamment importante pour qu'un premier dispositif de pompage en vide primaire soit plus performant que le deuxième dispositif de pompage en vide primaire à basse pression et réciproquement à haute pression. Par exemple, et comme représenté sur la figure 2, la vitesse de pompage maximum S1 des deux premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 9b est de l'ordre de 2600m3/h pour une pression correspondante de l'ordre de 0, 35 mbar (ou 35 Pa). La vitesse de pompage maximum S2 des deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a, 10b est de l'ordre de 1700 m3/h pour une pression correspondante de l'ordre de 6 mbar (ou 600 Pa). Du fait de leurs importantes capacités de pompage, les premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 9b présentent un dimensionnement et une inertie plus importants que les deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a, 10b. En utilisant ainsi deux premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 9b de forte inertie en parallèle de deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a, 10b de faible inertie, la rotation des rotors des quatre dispositifs de pompage en vide primaire va ralentir pour permettre l'absorption de la surcharge occasionnée par le pompage haute pression. Une fois l'excès de charge évacué, les deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a, 10b, de faible inertie vont pouvoir ré-accélérer plus rapidement que les deux premiers dispositifs de pompage en vide primaire de forte inertie pour atteindre leur plein régime. L'accélération de la rotation des deux premiers dispositifs en vide primaire 9a, 9b de forte inertie sera plus lente mais permettra d'atteindre des débits volumétriques importants à basse pression afin de pouvoir respecter le délai imparti pour atteindre la pression souhaitée. Le système de pompage permet ainsi de bénéficier des avantages et de compenser les points faibles de chaque dispositif de pompage pour obtenir rapidement la pression souhaitée, à un coût maîtrisé. On se réfère maintenant aux courbes de descente en pression en fonction du temps de la figure 3, dans une enceinte de sas de chargement et de déchargement de 1000 litres pour différentes configurations de pompage. Dans cet exemple, une pression de 0,05mbar doit être atteinte en moins de 28 secondes à partir de la pression atmosphérique (environ 1000mbars). Cette contrainte est illustrée par le point O sur la figure 3. La courbe C représente la courbe de descente en pression en fonction du temps pour deux premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a de forte inertie présentant des caractéristiques de pompage identiques, montés en parallèle. On constate qu'une pression de 0, 05 mbar est atteinte à environ 30 secondes. La courbe D représente la courbe de descente en pression en fonction du temps pour un premier et un deuxième dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10b présentant des caractéristiques de pompage distinctes, respectivement de forte et de faible inertie, montés en parallèle. On atteint la pression souhaitée de 0,05 mbar dans le délai imparti de 28 secondes. La courbe E représente la courbe de descente en pression en fonction du temps pour deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a de faible inertie présentant des caractéristiques de pompage identiques, montés en parallèle. On constate avec cette configuration que, la pression souhaitée de 0, 05 mbar est atteinte après 35 secondes. La courbe F représente la courbe de descente en pression en fonction du temps pour trois premiers dispositifs de pompage en vide primaire 9a de forte inertie présentant des caractéristiques de pompage identiques, montés en parallèle. On constate qu'une pression de 0,05 mbar est atteinte en environ 20 secondes. La courbe G représente la courbe de descente en pression en fonction du temps pour trois deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire 10a de faible inertie présentant des caractéristiques de pompage identiques, montés en parallèle. On constate que la pression souhaitée de 0,05 mbar est atteinte après 22 secondes. Par conséquent, avec des dispositifs de pompage en vide primaire présentant des caractéristiques de pompage identiques, il est nécessaire de tripler le montage en parallèle pour respecter la contrainte de pression de 0,05mbar dans le délai imparti de 28 secondes (courbes F et G). En revanche, avec des dispositifs de pompage en vide primaire 9a, 10a présentant des caractéristiques de pompage distinctes, choisis de manière appropriée pour combiner des dispositifs de pompage en vide primaire de forte et de faible inertie (courbe D), on peut atteindre la pression souhaitée dans le délai imparti. En effet, au début du pompage, à haute pression, la ré-accélération de la vitesse de rotation des rotors après le ralentissement dû à l'absorption de surcharge de gaz, est plus lente pour le premier dispositif de pompage en vide primaire à forte inertie. Le premier dispositif de pompage en vide primaire à forte inertie présente ainsi une efficacité moindre à haute et moyenne pression que le deuxième dispositif de pompage en vide primaire à faible inertie mais permet en revanche d'obtenir une meilleure vitesse de pompage à basse pression. A l'inverse, le deuxième dispositif de pompage en vide primaire à faible inertie permet l'obtention d'une forte vitesse de pompage à haute pression mais donne de faibles performances à basse pression. REVENDICATIONS1. Système de pompage destiné à être raccordé à une enceinte (2) de sas de chargement et de déchargement d'un substrat (5), comportant au moins un premier et un deuxième dispositifs de pompage en vide primaire (9a, 9b, 10a, 10b) montés en parallèle et configurés pour pomper simultanément l'enceinte (2) du sas de chargement et de déchargement du substrat, caractérisé en ce que les deux dispositifs de pompage en vide primaire (9a, 9b, 10a, 10b) présentent des caractéristiques de pompage distinctes, la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire (9a, 9b) étant distincte de la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire (10a, 10b). 2. Système de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de pompage en vide primaire présentant une vitesse de pompage maximum supérieure ou égale à 2000m3/h et au moins un dispositif de pompage en vide primaire présentant une vitesse de pompage maximum inférieure à 2000m3/h. 3. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écart entre la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire (9a, 9b) et la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire (10a, 10b), est supérieur à 10%. 4. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écart entre la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire (9a, 9b) et la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire (10a, 10b), est supérieur à 500 m3/h. 5. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écart entre la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire (9a, 9b) et la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire (10a, 10b) est compris entre 500 et 3500 m3/h. 6. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux premiers ou deux deuxièmes dispositifs de pompage en vide primaire (9a,9b ; 10a, 10b) présentant des caractéristiques de pompage sensiblement identiques. 7. Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de pompage en vide primaire (9a, 9b, 10a, 10c) comporte un groupe de pompage. 8. Procédé de descente en pression dans une enceinte (2) de sas de chargement et de déchargement caractérisé en ce qu'on pompe simultanément l'enceinte (2) de sas de chargement et de déchargement du substrat au moyen d'au moins deux dispositifs de pompage en vide primaires (9a, 9b, 10a, 10b) montés en parallèle et présentant des caractéristiques de pompage distinctes, la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du premier dispositif de pompage en vide primaire (9a, 9b) étant distincte de la pression correspondant à la vitesse de pompage maximum du deuxième dispositif de pompage en vide primaire (10a, 10b).