EP1173881A1 - Dispositif de chauffage et de refroidissement integre dans un reacteur de traitement thermique d'un substrat - Google Patents
Dispositif de chauffage et de refroidissement integre dans un reacteur de traitement thermique d'un substratInfo
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- EP1173881A1 EP1173881A1 EP00918959A EP00918959A EP1173881A1 EP 1173881 A1 EP1173881 A1 EP 1173881A1 EP 00918959 A EP00918959 A EP 00918959A EP 00918959 A EP00918959 A EP 00918959A EP 1173881 A1 EP1173881 A1 EP 1173881A1
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Definitions
- the substrate is first heated rapidly to a first temperature and maintained for a determined period at this temperature. It is then cooled rapidly by bringing a cooling box into contact with the plate supporting the substrate.
- the substrate is heated using a resistor or infrared lamps.
- the substrate is simultaneously subjected to UV ultraviolet radiation, and gases under vacuum or under pressure are brought into contact with the substrate to be decomposed in the vapor phase so as to deposit a solid on the surface of the substrate, or to react directly with the substrate. solid and modify its composition.
- a heating and cooling device designated for the general reference 10, comprises a plate 12 of refractory stainless steel having a flat upper surface 13, on which is positioned a substrate 14, in particular of semi-material -driver. Inside the plate 12 is a heating means formed by an electrical resistance 16, which is housed in a series of notches 18, separated from each other by intermediate spacers 20. A thermocouple is placed in a cylindrical hole in the stainless steel part and allows the temperature to be regulated during the heating phases.
- the heating surface is illustrated in FIG. 1, during which the resistor 16 produces a Joule effect heating of the plate 12.
- the substrate 14 rests on the upper face 13 of the plate 12 and thus heated for a predetermined time depending on the desired heat treatment.
- the cooling box 26 remains separated from the plate 12 by an interval 32 during the entire heating phase.
- the maximum temperature is around 700 ° C, with a heating rate of 200 ° C per minute.
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Abstract
Un dispositif de chauffage et de refroidissement d'un substrat (14), comprend une résistance électrique (16) de chauffage intégrée dans des encoches (18) de la plaque (12) avec interposition d'un revêtement (22) interne de bonne conductivité thermique. Une boîte de refroidissement (26) est située en regard de la plaque (12), et est déplaçable entre une première position écartée par un intervalle (32) de la surface inférieure de la plaque (12) lors de la phase d'échauffement provoquée par l'alimentation de la résistance (16), et une deuxième position rapprochée de venue en contact avec ladite surface inférieure lors du refroidissement de la plaque (12). La boîte de refroidissement (26) est dotée d'une feuille (30) superficielle en matériau compressible bon conducteur thermique pour obtenir un contact thermique homogène avec la face inférieure de la plaque (12). Les encoches (18) de la plaque (12) sont séparées l'une de l'autre par des entretoises (20) intermédiaires servant de moyens de transfert calorifiques lorsque la boîte de refroidissement (26) se trouve dans la deuxième position rapprochée. Applications: traitements thermiques de substrats ou d'échantillons.
Description
Dispositif de chauffage et de refroidissement intégré dans un réacteur de traitement thermique d'un substrat.
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un dispositif de chauffage et de refroidissement agencé dans un réacteur de traitement thermique d'un substrat, et comprenant : des premiers moyens pour chauffer le substrat jusqu'à une première température, le substrat étant positionné sur la face supérieure d'une plaque en métal réfractaire à l'intérieur de la chambre de réaction du réacteur, et des deuxièmes moyens pour refroidir le substrat jusqu'à une deuxième température, laquelle est inférieure à ladite première température, les deuxièmes moyens étant formés par une boîte de refroidissement située en regard de la plaque à l'opposé de ladite face supérieure de support de substrat et déplaçable entre une première position écartée par un intervalle de la surface inférieure de la plaque lors de la phase d'échauffement d'alimentation de la résistance, et une deuxième position rapprochée de venue en contact avec ladite surface inférieure lors du refroidissement de la plaque.
Etat de la technique
Lors de la mise en œuvre des procédés de traitements thermiques dans les réacteurs des fours, il est primordial d'obtenir une uniformité de la température du substrat à traiter.
On a constaté que des écarts de température de quelques degrés peuvent influer sur la qualité et les propriétés du matériau traité ou déposé lors du traitement thermique. Les dispositifs de chauffage et de refroidissement utilisés dans les fours connus ne permettent pas d'obtenir une homogénéité parfaite ' de la température au niveau des substrats lors des opérations de chauffage et de refroidissement.
Le document EP 0452779 décrit un système de traitement dans lequel les moyens de chauffage et de refroidissement ne sont pas dissociés mécaniquement. Le système de refroidissement ne peut pas être éloigné du système de chauffage. L'ensemble est agencé pour thermostater le substrat, et non pour alternativement chauffer et refroidir ou refroidir et chauffer le substrat.
Le document JP 05263243 décrit une boîte de refroidissement située en regard de la plaque à l'opposé de la face supérieure de support de substrat. Le chauffage de la plaque ne s'effectue pas par effet Joule à résistance, et il n'y a pas de lampes à rayonnement électromagnétique au dessus du substrat.
Le document JP 07045523 décrit un dispositif de traitement avec des systèmes de chauffage et de refroidissement non dissociés mécaniquement. Le chauffage sur la face arrière du substrat se fait par lampes infrarouges, et il n'y a pas de lampes à rayonnement électromagnétique au dessus du substrat. Le refroidissement ou le chauffage du substrat se fait à l'aide d'un gaz qui est porté à la température désirée lors de son passage dans une pièce chauffée ou refroidie.
Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif et un procédé de chauffage et de refroidissement perfectionné permettant d'obtenir une homogénéité optimum de la température au niveau du substrat.
Un deuxième objet de l'invention concerne également un four de traitement thermique équipé d'un dispositif de chauffage et de refroidissement permettant de chauffer et de refroidir rapidement un substrat sans manipulation de ce dernier.
Le dispositif de chauffage et de refroidissement selon l'invention est caractérisé en ce que : les premiers moyens comportent une résistance électrique de chauffage intégrée dans les encoches de la plaque avec inteφosition d'un revêtement interne de bonne conductivité thermique, - la boîte de refroidissement est dotée d'une feuille superficielle en matériau compressible bon conducteur thermique pour obtenir un contact thermique homogène avec la face inférieure de la plaque, les encoches de la plaque sont séparées l'une de l'autre par des entretoises intermédiaires servant de moyens de transfert calorifique lorsque la boîte de refroidissement se trouve dans la deuxième position rapprochée.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la boîte de refroidissement est formée par un corps métallique ayant une bonne conductivité thermique, et équipé d'une série de conduits pour la circulation d'un fluide caloporteur. La résistance est noyée à l'intérieur des encoches au moyen d'une masse de ciment minéral destinée à isoler électriquement la résistance du revêtement interne conducteur, l'ensemble monobloc formant une surface de contact thermique sans discontinuité. Le ciment minéral est à base d'alumine, ayant un point de fusion élevé. La résistance peut blindée au moyen d'une gaine isolante, et est dans ce cas noyée directement dans le métal coulé du revêtement interne.
II est possible d'adjoindre à la plaque des moyens de chauffage additionnels disposés en regard du substrat à l'opposé de la boîte de refroidissement pour assurer un deuxième chauffage par rayonnement. Les moyens de chauffage peuvent être constitués par une résistance électrique, ou des lampes à rayonnement électromagnétique. Pour faire des procédés de type RTP (Rapid Thermal Processing), ces lampes sont des lampes halogènes à rayonnement infrarouge. Pour des procédés où l'on veut minimiser la température lors du chauffage, ces lampes sont de type ultraviolet, par exemple de type mercure ou excimère.
Pour certains types de substrats ayant notamment une certaine épaisseur, et une faible conductivité thermique, il est possible de faire usage de deux plaques symétriques encadrant les deux faces opposées du substrat.
Selon un premier procédé de chauffage et de refroidissement d'un substrat agencé dans un réacteur de traitement thermique, le substrat est d'abord chauffé rapidement jusqu'à une première température et maintenu pendant une durée déterminée à cette température. Il est ensuite refroidi rapidement grâce à la mise en contact d'une boîte de refroidissement avec la plaque supportant le substrat. Le chauffage du substrat s'effectue à l'aide d'une résistance ou de lampes infrarouges. Le substrat subit simultanément un rayonnement ultraviolet UV, et des gaz sous vide ou sous pression sont amenés en contact avec le substrat pour y être décomposés en phase vapeur de manière à déposer un solide à la surface du substrat, ou pour réagir directement avec le substrat solide et en modifier la composition.
Selon un deuxième procédé de chauffage et de refroidissement d'un substrat agencé dans un réacteur de traitement thermique, on effectue les étapes successives suivantes: refroidir d'abord le substrat à une deuxième température au moyen d'une boîte de refroidissement, mettre en contact des gaz sous vide ou sous pression avec le substrat en provoquant une condensation à l'état de liquide,
augmenter la pression dans le réacteur dès que le substrat est recouvert par un film uniforme de liquide, écarter la boîte de refroidissement, et chauffer rapidement le substrat jusqu'à la première température en maintenant cette température pendant une durée déterminée.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de- l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 et une vue schématique en coupe d'une plaque chauffante et refroidissante selon l'invention, la boîte de refroidissement étant représentée dans la première position écartée correspondant à la phase de chauffage du substrat ; la figure 2 est une vue identique de la figure 1 , la boîte de refroidissement se trouvant dans la deuxième position rapprochée correspondant à la phase de refroidissement du substrat ; la figure 3 montre une chambre de réaction d'un four équipé du dispositif de chauffage et de refroidissement selon la figure 1 ; la figure 4 est une variante de réalisation du dispositif de la figure.
Description d'un mode de réalisation préférentiel
En référence aux figures 1 et 2, un dispositif de chauffage et de refroidissement, désigné pour le repère général 10, comporte une plaque 12 en acier inoxydable réfractaire ayant une surface supérieure 13 plane, sur laquelle est positionné un substrat 14, notamment en matériau semi-conducteur. A l'intérieur de la plaque 12 se trouve un moyen de chauffage formé par une résistance électrique 16, laquelle est logée dans une série d'encoches 18, séparées les unes des autres par des entretoises 20 intermédiaires. Un thermocouple est placé dans un trou cylindrique
dans la pièce en acier inoxydable et permet de réguler la température lors des phases de chauffage.
Un revêtement 22 métallique ayant une bonne conductivité thermique, recouvre la surface interne des encoches 18 pour optimiser le transfert calorifique de la résistance 16 vers le plaque 12. L'obtention de ce revêtement 22 métallique s'opère à titre d'exemple après une opération de coulée d'une masse d'aluminium dans la partie creuse de la plaque 12, suivie après solidification d'une opération d'usinage de l'aluminium pour la formation des encoches 18 de logement de la résistance électrique 16. L'aluminium peut bien entendu être remplacé par tout autre alliage adéquat.
La résistance 16 est ensuite noyée à l'intérieur des encoches 18 au moyen d'un ciment 24 minéral à conductivité thermique élevée, destiné à assurer l'isolement électrique de la résistance 16 par rapport au revêtement 22 métallique. Le ciment 24 renferme à titre d'exemple de l'alumine Al2 03, de la magnésie MgO, ou tout autre agent minéral à haut point de fusion, notamment supérieur à 600°C.
Un tel agencement permet d'obtenir une montée rapide en température lors de l'alimentation de la résistance 16.
Pour atteindre une densité de puissance élevée par unité de surface, on fait usage d'une résistance 16 non gainée, et exclusivement isolée par le ciment 24 minéral. Pour des densités de puissance plus faibles, il est possible d'utiliser une résistance blindée au moyen d'une gaine isolante, et de la noyer directement dans le métal coulé d'aluminium sans avoir recours au ciment.
Pour des températures élevées (supérieures à 700°C) , ou des montées en température (de 10 à 300°C par seconde) plus rapides que ce qui peut être obtenu avec la résistance, on peut préférentiellement utiliser comme moyen de chauffage des lampes à rayonnement infra rouge placées au dessus du substrat.
Pour des substrats thermiquement fragiles, on peut lors du chauffage à l'aide de la résistance irradier le substrat à l'aide de lampes UV (classiques ou excimères) placées au-dessus du substrat. Le rayonnement UV permet d'augmenter l'énergie reçue par le substrat sans pratiquement augmenter sa température. Par rapport à un procédé avec un simple chauffage, ceci permet d'obtenir le même résultat à des températures plus basses.
Une boîte de refroidissement 26 mobile est agencée en regard de la plaque 12 à l'opposé de la surface supérieure 13. La boîte 26 est réalisée en un métal à bonne conductivité thermique, par exemple en aluminium ou en cuivre, et renferme une série de conduits 28 pour la circulation d'un fluide caloporteur.
Pour obtenir un refroidissement rapide du substrat 14 après ou avant une phase de chauffage, il convient d'amener la boîte de refroidissement 26 en contact avec les entretoises 20 métalliques à la partie inférieure de la plaque 12.
La boîte de refroidissement 26 sert alors de radiateur destiné à extraire les calories et à refroidir la plaque 12 par conduction à travers les entretoises 20.
Une feuille 30 de faible épaisseur et en matériau compressible et bon conducteur thermique, est superposée à la boîte de refroidissement 26 pour obtenir un contact thermique homogène avec la face inférieure de la plaque 12 de chauffage.
L'échange calorifique entre la plaque 12 et la boîte de refroidissement 26 est optimum grâce au contact thermique sans discontinuité entre d'une part les entretoises 20, la masse de ciment 24 et le revêtement 22, et d'autre part la feuille
30 et le corps de la boîte 26.
La surface de chauffage est illustrée à la figure 1 , au cours de laquelle la résistance 16 produit un échauffement par effet Joule de la plaque 12. Le substrat 14 en appui sur la face supérieure 13 de la plaque 12 et ainsi chauffée pendant un temps prédéterminé en fonction du traitement thermique souhaité. La boîte de refroidissement 26 reste séparée de la plaque 12 par un intervalle 32 pendant
toute la phase de chauffage. La température maximale est de l'ordre de 700°C, avec une vitesse d'échauffement de 200°C par minute.
Sur la figure 2, le refroidissement rapide du substrat 14 s'effectue après la mise hors service de la résistance 16, et la venue en engagement de la boîte de refroidissement 26 contre la face inférieure de la plaque 12. Le fluide caloporteur circulant dans les conduits peut être de l'eau ou tout autre liquide. La vitesse de refroidissement est de l'ordre de 100°C par minute.
L'ensemble du dispositif 10 permet de chauffer puis de refroidir rapidement le substrat 14 sans manipulation de ce dernier. L'homogénéité de température au niveau du substrat 14 constitue d'autre part un paramètre important pour la qualité et les propriétés du matériau traité ou déposé, aussi bien pendant le chauffage que pendant le refroidissement.
Sur la figure 3, le dispositif de chauffage et de refroidissement 10 est inclus dans une chambre de réaction 34 d'un four de traitement 36. Le liquide dans les conduits de la boîte de refroidissement 26 circule à l'intérieur du four 36 dans une canalisation 38 en liaison avec une pompe 40 et éventuellement un échangeur de chaleur 42. Selon une variante, le fluide caloporteur peut également circuler en circuit ouvert sans échangeur de chaleur.
La plaque 12 s'étend horizontalement sur une embase 44 fixe qui délimite la partie inférieure de la chambre de réaction 34. L'embase 44 comporte de part et d'autre du dispositif 10 un orifice d'évacuation 46 relié à des moyens de mise sous vide, et un orifice d'admission 48 destiné à introduire un gaz à l'intérieur de la chambre de réaction 34.
La paroi 50 de la chambre de réaction 34 est équipée à la partie supérieure d'un hublot 52, lequel est disposé en regard du substrat 14, tout en étant surmonté d'un réflecteur 54 de manière à confiner un compartiment 56 auxiliaire. Des moyens de chauffage 58 additionnels sont logés à l'intérieur du compartiment 56, de manière à assurer un deuxième chauffage par rayonnement du substrat 14.
Les moyens de chauffage 58 peuvent être constituées par une résistance électrique, ou des lampes à rayonnement électromagnétique. Le hublot peut être remplacé par un contre tube placé autour de chaque lampe. Les contres tubes ou le hublot ont pour but d'éviter le contact direct entre les lampes et la chambre de réaction 34 où est placé le substrat. L'usage des contre tubes permet de réaliser la régulation de température du substrat lors du chauffage à l'aide d'un pyromètre optique qui vise le substrat entre deux contre tubes par l'intermédiaire d'une fenêtre placée sur la partie supérieure du réflecteur 54.
Selon un premier procédé de chauffage et de refroidissement, le substrat 14 est d'abord chauffé rapidement jusqu'à une première température et maintenu pendant une durée déterminée à cette température, et est ensuite refroidi rapidement grâce à la mise en contact de la boîte de refroidissement 26 avec la plaque supportant le substrat 14. Le chauffage du substrat 14 s'effectue à l'aide d'une résistance ou de lampes infra rouge, et le substrat 14 subit simultanément un rayonnement ultraviolet UV. Des gaz sous vide ou sous pression sont amenés en contact avec le substrat 14 pour y être décomposés en phase vapeur, de manière à déposer un solide à la surface du substrat, ou pour réagir directement avec le substrat solide et en modifier la composition.
Selon un deuxième procédé de chauffage et de refroidissement, on effectue les étapes successives suivantes: refroidir d'abord le substrat 14 à une deuxième température au moyen de la boîte de refroidissement 26, mettre en contact des gaz sous vide ou sous pression avec le substrat 14, en provoquant une condensation à l'état de liquide, augmenter la pression dans le réacteur dès que le substrat 14 est recouvert par un film uniforme de liquide, écarter la boîte de refroidissement 26, et chauffer rapidement le substrat 14 jusqu'à la première température en maintenant cette température pendant une durée déterminée.
En référence à la figure 4, le substrat 14 est intercalé entre deux dispositifs de chauffage et de refroidissement 10, 10a de structures identiques à celui à la figure 1. Un tel agencement convient particulièrement pour des substrats épais ou ayant une faible conductivité thermique, et nécessitant un refroidissement et un chauffage rapide.
Ce système de double plaque symétrique peut également être intégré dans une chambre de réaction d'un four de traitement thermique.
Il est clair que le substrat 14 à traiter peut être un support quelconque.
Claims
1. Dispositif de chauffage et de refroidissement agencé dans un réacteur de traitement thermique d'un substrat (14), comprenant : - des premiers moyens pour chauffer le substrat (14) jusqu'à une première température, le substrat (14) étant positionné sur la face supérieure (13) d'une plaque (12) en métal réfractaire à l'intérieur de la chambre de réaction (34) du réacteur, et des deuxièmes moyens pour refroidir le substrat (14) jusqu'à une deuxième température, laquelle est inférieure à ladite première température, les deuxièmes moyens étant formés par une boîte de refroidissement (26) située en regard de la plaque (12) à l'opposé de ladite face supérieure (13) de support de substrat (14) et déplaçable entre une première position écartée par un intervalle (32) de la surface inférieure de la plaque (12) lors de la phase d'échauffement d'alimentation de la résistance (16), et une deuxième position rapprochée de venue en contact avec ladite surface inférieure lors du refroidissement de la plaque (12), caractérisé en ce que : - les premiers moyens comportent une résistance électrique (16) de chauffage intégrée dans les encoches (18) de la plaque (12) avec interposition d'un revêtement (22) interne de bonne conductivité thermique, la boîte de refroidissement (26) est dotée d'une feuille (30) superficielle en matériau compressible bon conducteur thermique pour obtenir un contact thermique homogène avec la face inférieure de la plaque (12), les encoches (18) de la plaque (12) sont séparées l'une de l'autre par des entretoises (20) intermédiaires servant de moyens de transfert calorifique lorsque la boîte de refroidissement (26) se trouve dans la deuxième position rapprochée.
2. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la boîte de refroidissement (26) est formée par un corps métallique ayant une bonne conductivité thermique, et équipé d'une série de conduits (28) pour la circulation d'un fluide caloporteur.
3. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la résistance (16) est noyée à l'intérieur des encoches (18) au moyen d'une masse de ciment (24) minéral, destinée à isoler électriquement la résistance (16) du revêtement (22) interne conducteur, l'ensemble monobloc formant une surface de contact thermique sans discontinuité.
4. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ciment (24) minéral est à base d'alumine, ayant un point de fusion élevé.
5. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la résistance (16) est blindée au moyen d'une gaine isolante, et est noyée directement dans le métal coulé du revêtement (22) interne.
6. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage (58) additionnels disposés en regard du substrat (14) à l'opposé de la boîte de refroidissement
(26) pour assurer un deuxième chauffage par rayonnement.
7. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (58) peuvent être constitués par une résistance électrique, ou des lampes à rayonnement électromagnétique.
8. Dispositif de chauffage et de refroidissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le substrat (14) est intercalé entre deux plaques (12) disposées symétriquement dans la chambre de réaction (34) par rapport au plan médian passant par le substrat (14).
9. Four de traitement thermique ayant une chambre de réaction dans laquelle est positionné un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de chauffage et de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Procédé de chauffage et de refroidissement d'un substrat (14) agencé dans un réacteur de traitement thermique, dans lequel le substrat est d'abord chauffé rapidement jusqu'à une première température et maintenu pendant une durée déterminée à cette température, et est ensuite refroidi rapidement grâce à la mise en contact d'une boîte de refroidissement (26) avec la plaque supportant le substrat (14), caractérisé en ce que : le chauffage du substrat (14) s'effectue à l'aide d'une résistance ou de lampes infra rouge, - le substrat (14) subit simultanément un rayonnement ultraviolet UV, des gaz sous vide ou sous pression sont amenés en contact avec le substrat (14) pour y être décomposés en phase vapeur de manière à déposer un solide à la surface du substrat, ou pour réagir directement avec le substrat solide et en modifier la composition.
1 1. Procédé de chauffage et de refroidissement d'un substrat (14) agencé dans un réacteur de traitement thermique, caractérisé par les étapes successives suivantes: refroidir d'abord le substrat (14) à une deuxième température au moyen d'une boîte de refroidissement (26), mettre en contact des gaz sous vide ou sous pression avec le substrat (14), en provoquant une condensation à l'état de liquide, augmenter la pression dans le réacteur dès que le substrat (14) est recouvert par un film uniforme de liquide, écarter la boîte de refroidissement (26), et chauffer rapidement le substrat (14) jusqu'à la première température en maintenant cette température pendant une durée déterminée.
12 Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le chauffage rapide s'effectue à l'aide d'une résistance ou de lampes infrarouges.
13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'un rayonnement ultraviolet UV est appliqué simultanément sur le substrat (14).
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