FR2840232A1 - Piege cryogenique a regeneration rapide - Google Patents
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Abstract
Le piège cryogénique selon l'invention comprend, dans un corps creux (3) à vanne d'accès (2) et vanne de sortie (6), un noyau froid (11) associé à un plateau (13) à faible inertie thermique et déplaçable entre une position de piégeage au contact du noyau froid (11) et une position de régénération à l'écart du noyau froid (11) et au contact d'une couronne chauffante (14). Le plateau (13) est au contact des gaz à piéger, et interdit leur passage vers le noyau froid (11). La régénération nécessite le réchauffement du seul plateau (13) portant les gaz condensés et solidifiés, et est ainsi plus rapide.
Description
(3o
PIEGE CRYOGENIQUE A REGENERATION RAPIDE
Les chambres des installations de fabrication de composants a semiconducteur contiennent des gaz provenant des sas
ou des chambres de procedes.
I1 faut evacuer ces gaz, pour eviter les pollutions ulterieures des tranches de semi-conducteur introduites dans les
chambres de transfert avant ou apres leur traitement.
L' evacuation des gaz se fait par pompage mecanique, souvent associe a un piege cryogenique, en effectuant un pompage
selectif.
Un piege cryogenique comprend une surface de contact, portee et maintenue a tres basse temperature par une source de froid, et placee au contact des gaz pompes. Les gaz pompes viennent ainsi se condenser et se solidifier sur ladite surface de contact,
et vent done retires de l' atmosphere interieure.
Les pieges cryogeniques actuellement utilises comprennent une masse froide placee au contact des gaz de la chambre, et refroidie par un doigt froid connecte thermiquement a un generateur de froid. La surface de contact est la surface de la masse froide
elle-meme.
Le probleme est que les gaz en se condensant, notamment l'eau, produisent sur le piege cryogenique une epaisse couche de grace qui reste stationnaire et reduit progressivement la capacite de congelation du piege cryogenique et sa capacite a pieger les gaz
a eliminer.
I1 faut done regenerer periodiquement le piege
cryogenique, en le rechauffant pour faire disparaltre la grace.
Pour la regeneration, il faut rechauffer la masse et le doigt froid. Pendant cette etape de rechauffage, le piege est inactif, et libere dans l' atmosphere interieure les matieres prealablement piegees. I1 en resulte une periode relativement longue, d' environ deux heures, entre deux etats operationnels successifs, pour eliminer la grace et remettre le piege cryogenique en fonctionnement a temperature basset Toute l' installation doit etre arretee, pour eviter les defauts dus a la pollution retrograde resultant du non fonctionnement du piege cryogenique et de la liberation des matieres piegees. Dans les dispositifs actuels, cela exclut de pouvoir regenerer frequemment le piege. On doit alors se
contenter d'une efficacite reduite du piege.
L' invention vise a eviter les inconvenients des systemes de l'art anterieur, tout d'abord en eliminant plus rapidement la S grace piegee sur le piege cryogenique, puis en remettant plus vite a temperature basse le piege cryogenique pour le rendre a nouveau operationnel. On cherche a atteindre une regeneration dont la duree est de l'ordre d'une a quelques minutes, afin de pouvoir effectuer des regenerations en temps masque entre des etapes successives
d'activite du dispositif de fabrication de composants a semi-
conducteur. De la sorte on peut conserver une efficacite optimale du piege cryogenique, sans nuire aux cadences d'utilisation des
chambres, et sans accroltre le risque de pollution retrograde.
L'idee essentielle de l' invention est de realiser un piege cryogenique dont la surface qui est au contact des gaz a pieger presente deux etats, comprenant un premier etat a inertie thermique elevee pour les etapes de piegeage des gaz, et un second etat a
inertie thermique faible pour les etapes de regeneration.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le piege cryogenique selon l' invention comporte une surface de contact disposee au contact des gaz a pieger, comporte des moyens de generation de froid pour refroidir la surface de contact a une temperature appropriee pour condenser et solidifier les gaz a pieger, et comporte des moyens d'echauffement pour echauffer periodiquement la surface de contact et eliminer ainsi la couche de grace qui s'y depose lors du piegeage; selon l' invention: - la surface de contact est un element a faible inertie thermique, - la surface de contact est connectee thermiquement aux moyens de generation de froid par l'intermediaire de moyens de transmission thermique presentant: un premier etat a conductance elevee, pour les etapes de piegeage des gaz, un second etat a conductance faible, pour les etapes de ... regeneration, - les moyens d'echauffement vent prevus pour echauffer selectivement la surface de contact pendant les etapes de regeneration, - des moyens d'isolement vent prevus pour maintenir les gaz a pieger a l'ecart des moyens de generation de froid. De la sorte, pendant l'etape de regeneration, senle la surface de contact a faible inertie thermique est rechauffee, necessitant une plus faible energie de rechauffement que les dispositifs connus. Les moyens de generation de froid, isoles thermiquement de la surface de contact, ne vent pas sensiblement rechauffes et restent a temperature de fonctionnement, reduisant ainsi l'energie de refroidissement necessaire pour remettre le piege cryogenique en etat de fonctionnement, et reduisant le temps
necessaire pour cela.
Selon un mode de realisation avantageux: - la surface de contact est la surface exposee diun plateau a faible inertie thermique deplacable entre une position de piegeage dans laquelle le plateau est au contact des moyens de generation de froid, et une position de regeneration dans laquelle le plateau est a l'ecart des moyens de generation de froid, - des moyens de deplacement vent prevus pour deplacer selectivement le plateau entre ses deux positions, - les moyens d'echauffement vent prevus pour echauffer selectivement le plateau lorsqu'il est en position de regeneration. En pratique, la structure generale du piege cryogenique peut comprendre un corps creux ayant une cavite interieure a zone proximale et zone distale, la zone proximale etant en communication avec une entree principale par une vanne d'acces, la zone distale contenant le piege cryogenique et etant en communication avec la
zone proximale qui la separe de l' entree principale.
De preference, la zone proximale est en communication avec
des moyens de pompage par une vanne de sortie.
De preference, le piege cryogenique doit conserver une forte inertie thermique, afin d'etre le plus rapidement possible en etat de fonctionnement apres une etape de regeneration. Pour cela, on peut prevoir avantageus ement que l es moyens de genera ti on de froid comprennent un noyau froid a forte inertie thermique, place dans la zone distale, et agence pour que le plateau vienne en appui sur le noyau froid en position de piegeage, le noyau froid etant lui-meme couple thermiquement a des moyens externes de generation
de froid par un doigt froid.
Dans ce cas, il est avantageux de prevoir que: - le plateau se deplace dans une portion cylindrique de la cavite du corps creux avec un faible espace peripherique entre le bord peripherique du plateau et la paroi de la cavite, - des moyens diinjection de gaz neutre creent dans ledit falble espace peripherique un flux de gaz neutre circulant depuis la zone distale en direction de la zone proximale, ledit flux de gaz neutre s'opposant au passage des gaz a pieger vers le noyau froid. Selon un mode de realisation, les moyens de deplacement peuvent avantageusement comprendre lesdits moyens de generation d'un flux de gaz neutre dans ledit faible espace peripherique depuis la zone distale en direction de la zone proximale, lesdits moyens de generation d'un flux de gaz neutre etant alors adaptes pour generer selectivement un flux de gaz neutre a plus grand debit
qui deplace le plateau jusquien position de regeneration.
D'autres objets, caracteristiques et avantages de la
presente invention ressortiront de la description suivante de modes
de realisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schematique d'une structure de piege cryogenique selon un mode de realisation de la presente invention, en position de piegeage i - la figure 2 illustre lietat du dispositif et la circulation de gaz neutre en position de piegeage; - la figure 3 illustre l'etat du dispositif pendant l'etape intermediaire de chauffage des moyens d'echauffement en forme de couronne chauffante; - la figure 4 illustre l'etat du dispositif lors de l'etape intermediaire d' injection d'un flux de gaz neutre pour soulever le plateau; et s - la figure 5 illustre l'etat du dispositif en position de regeneration. Selon le mode de realisation illustre sur les figures, le piege cryogenique comporte un corps creux 3 ayant une entree principale 4 et une sortie 5, toutes deux situees dans une zone proximale 16 du corps creux 3. L' entree principale 4 est connectee par une vanne d'acces 2 a une chambre principale 1 hors de laquelle on veut pieger les gaz. La sortie 5 est connectee par une vanne de sortie 6 a une canalisation de sortie 7 reliee a des moyens de
pompage non representes.
Une surface de contact 13a est disposee a l' interface entre la zone proximale 16 et une zone distale 17 de la cavite interieure du corps creux 3, pour etre au contact des gaz a pieger
qui penetrent dans la zone proximale 16 par l' entree principale 4.
Le piege cryogenique comporte des moyens de generation de froid pour refroidir la surface de contact 13a a une temperature appropriee pour condenser et solidifier les gaz a pieger. Les moyens de generation de froid comprennent un noyau froid 11 a forte inertie thermique, couple a des moyens externes de generation de froid 12a par un doigt froid 12 qui traverse la paroi du corps creux 3. Le noyau froid 11 est situe dans la zone distale 17, a ['oppose de la zone proximale 16 par rapport a la surface de
contact 13a.
Dans le mode de realisation illustre, la surface de contact 13a est la surface proxlmale d'un plateau 13 a faible
inertie thermique, et qui est associee au noyau froid 11.
Le plateau 13 est deplacable, dans l' interface entre la zone proximale 16 et la zone distale 17 de la cavite, entre une position de piegeage, illustree sur les figures 1 a 4, et une
position de regeneration illustree sur la figure 5.
En position de piegeage, le plateau 13 est au contact du noyau froid 11, selon une large surface de contact, de facon que la large surface de contact constitue un moyen de transmission thermique presentant une conductance elevee, assurant une bonne transmission de froid depuis le noyau froid 11 jusquta la surface
de contact 13a ou surface proximale du plateau 13.
En position de regeneration, le plateau 13 est a l'ecart du noyau froid 11, duquel il est separe par un entrefer isolant 23 occupe par les gaz a tres faible pression contenus dans le corps creux 3. De la sorte, dans cette position de regeneration, S l'entrefer 23 constitue des moyens de transmission thermique
presentant une conductance faible.
Pour son deplacement entre les positions de piegeage et de regeneration, le plateau 13 est guide par des moyens de guidage tels que, par exemple, un axe de guidage 21 solidaire du plateau 13
et coulissant dans des guides traversant le noyau froid 11.
En position de piegeage telle qu'illustree sur la figure 1, les gaz a pieger penetrent dans la zone proximale 16 et viennent au contact de la surface de contact 13a froide. Ils se condensent ainsi sur la surface de contact 13a. Neanmoins, il faut eviter que 1S les memes gaz circulent autour du noyau froid 11, car ils se deposeraient egalement sur le noyau froid 11, produisant une couche de grace sur toute la surface externe du noyau froid 11, et en particulier sur sa surface proximale contre laquelle doit venir en contact le plateau 13. Pour eviter que les gaz a pieger circulent autour du noyau froid 11, on prevoit une circulation d'un gaz neutre tel que l'azote qui provoque un flux de gaz neutre depuis la
zone distale 17 vers la zone proximale 16 du corps creux 3.
Pour cela, une source de gaz neutre 18 tel que l'azote est raccordee a la zone di s tale 17 par des canal i sations 1 8a et des vannes de commande 9 et 10, pour faire penetrer un gaz neutre par une entree de gaz neutre 8 situee dans la zone distale 17 a l'ecart
de la zone proximale 16.
Une premiere vanne de commande 9 assure un flux faible de gaz neutre, tandis qu'une seconde vanne de commande 10 assure un
flux plus important de gaz neutre.
En regime de piegeage, tel qu'illustre sur la figure 2, la vanne d'acces 2 est ouverte pour admettre les gaz a pieger depuis la chambre 1 vers la zone proximale 16. La vanne de sortie 6 est ouverte. L'ouverture de la premiere vanne de commande 9 et la fermeture de la seconde vanne de commande 10 produisent un flux faible F1 de gaz neutre, qui circule dans le faible espace peripherique 15 entre la peripherie du plateau 13 et la paroi du corps creux 3. Ce flux faible F1 de gaz neutre st oppose au passage des gaz pieges depuis la zone proximale 16 vers la zone distale 17 contenant les moyens de generation de froid 11, 12. Cependant, le flux falble F1 de gaz neutre n'est pas suffisant pour provoquer le deplacement du plateau 13, qui reste ainsi en contact du noyau froid 11 et, par sa basse temperature, condense les gaz sous forme
d'une couche de grace 22.
Le piege cryogenique comprend en outre des moyens pour deplacer le plateau 13 entre ses positions de piegeage et de
regeneration.
Dans le mode de realisation illustre sur les figures, les moyens de deplacement comprennent lesdits moyens de generation de flux de gaz neutre dans ledit espace peripherique 15 depuis la zone distale 17 en direction de la zone proximale 16. Ainsi, pour deplacer le plateau 13 depuis la position de piegeage (figures 1 et 2) jusque dans la position de regeneration (figure 5), on ouvre la seconde vanne de commande 10, en ferment eventuellement la premiere vanne de commande 9, pour produire un flux de gaz neutre a plus grand debit F2 dans le faible espace peripherique 15 depuis la zone distale 17 en direction de la zone proximale 16, comme le representent les figures 4 et 5. Le flux a plus grand debit F2 deplace le plateau 13 jusqu'en position de regeneration, a l'ecart
du noyau froid 11 (figure 5).
Dans un autre mode de realisation, les moyens pour deplacer le plateau 13 peuvent etre des moyens, mecaniques,
pneumatiques, electromagnetiques, par exemple.
Le piege cryogenique selon l 'invention comporte en outre des moyens d'echauffement 14 pour echauffer selectivement le
plateau 13 lorsqu'il est en position de regeneration.
Dans la realisation illustree sur les figures, notamment la figure 1, les moyens d'echauffement comprennent une couronne chauffante 14 disposee dans la cavite du corps creux 3 au regard de la surface de contact 13a du plateau 13, de facon que le plateau 13 vienne au contact de la couronne chauffante 14 par sa zone peripherique lorequ'il est en position de regeneration. Ainsi, la couronne chauffante 14 est placee dans la zone proximale 16 de la
cavite du corps creux 3, a proximite de la zone distale 17.
La couronne chauffante 14 peut par exemple etre une couronne constituee d'une resistance electrique alimentee par une alimentation 19 en energie electrique. La couronne chauffante 14 est placee a l'ecart du noyau froid 11, selon une distance S appropriee pour definir l'entrefer 23 (figure 5) entre le plateau 13 et le noyau froid 11 lorsque le plateau 13 est au contact de la
couronne chauffante 14 en position de regeneration.
On peut en outre prevoir des moyens pour promouvoir la connexion thermique entre le plateau 13 et le noyau froid 11 loreque le plateau 13 est en position de piegeage. Une difficulte est en effet d' assurer une bonne connexion thermique alors que le plateau 13 et le noyau froid 11 vent baignes d'une atmosphere
gazeuse a tres falble pression, et done thermiquement isolante.
Un tel moyen peut consister dans une injection d'helium dans la zone entre le noyau froid 11 et le plateau 13, ['helium
etant bon conducteur thermique.
Un autre moyen est de prevoir un film en materiau thermoconducteur interpose entre le noyau froid 11 et le plateau
13, par exemple fixe sur l'un ou l'autre des elements.
Le piege cryogenique tel qu'illustre sur la figure 1 comprend en outre des moyens de commande 20 qui commandant sequentiellement le fonctionnement des moyens d' injection de gaz neutre 9, 10, de la vanne d'acces 2, des moyens d'echauffement 14
par leur alimentation 19, et de la vanne de sortie 6.
En regime permanent de piegeage, illustre sur la figure 2, le courant de gaz neutre F1 est faible, et s' oppose seulement au passage de gaz piege depuis la zone proximale 16 de la cavite vers les moyens de generation de froid 11, 12. La vanne d'acces 2 est ouverte pour le passage des gaz a pieger. La vanne de sortie 6 est en principe ouverte, pour favoriser la presence d'un courant gazeux
depuis la chambre 1 vers la zone proximale 16 de cavite.
Apres lietape de piegeage, sur la figure 3, on entreprend une etape intermediaire de chauffage de la couronne chauffante 14: la vanne d'acces 2 est fermee, et la couronne chauffante 14 est
alimentee en energie electrique par l'alimentation 19 (figure 1).
Le flux falble F1 de gaz neutre peut se poursuivre.
Sur la figure 4, on entreprend ensuite une etape intermediaire de soulevement du plateau 13: la vanne d'acces 2 reste fermee, la vanne de sortie 6 reste ouverte, la couronne chauffante 14 reste alimentee en energie electrique, on ouvre la S vanne de commande 10 pour admettre un flux de gaz neutre a grand debit F2 dans la zone distale 17 de cavite et dans l'espace peripherique 15. Le flux F2 est choisi suffisant pour decoller le
plateau 13 et le soulever a l'ecart du noyau froid 11.
Pendant la regeneration, la circulation de gaz neutre F2 reste forte, et repousse le plateau 13 contre la couronne chauffante 14. Le plateau 13 ainsi souleve est done isole thermiquement du noyau froid 11 par l'entrefer 23. Il est par contre au contact de la couronne chauffante 14 qui est elle-meme chauffee electriquement. On obtient alors une sublimation rapide de la grace 22 prealablement formee sur la surface de contact 13a du plateau 13. La vanne d'acces 2 reste fermee, tandis que la vanne de sortie 6 reste ouverte pour evacuer les gaz sublimes 24. Le flux de gaz neutre F2 tel que l'azote permet de diluer les vapeurs resultant de la sublimation des gaz, et de les evacuer par la
canalisation de sortie 7.
Loreque la regeneration est terminee, le plateau est ramene en position initiale contre le noyau froid 11 par fermeture de la vanne de commande 10, et du fait de sa faible inertie
thermique il se refroidit tres vite au contact du noyau froid 11.
Il en resulte que la procedure de regeneration est tres rapide, et que le systeme peut se retrouver en etat de fonctionnement correct avec la surface de contact 13a a temperature appropriee pour le piegeage apres une duree tres course, de l'ordre
dinne a quelques minutes.
Les moyens de commande 20 comprennent par exemple un microcontroleur ou un microprocesseur programme de facon a piloter sequentiellement les vannes de commande 9 et 10, la vanne d'acces 2, la vanne de sortie 6 et l'alimentation 19 selon la suite des
etapes decrites ci-dessus.
La presente invention n'est pas limitee aux modes de realisation qui ont ete explicitement decrits, mais elle en inclut les diverges variantes et generalizations qui vent a la portee de
l'homme du metier.
Claims (8)
1 - Piege cryogenique, comportant une surface de contact (13a) disposee au contact des gaz a pieger, comportant des moyens de generation de froid (11, 12) pour refroidir la surface de contact (13a) a une temperature appropriee pour condenser et solidifier les gaz a pieger, et comportant des moyens d'echauffement pour eliminer periodiquement la couche de grace (22) qui s'y depose lors du piegeage, caracterise en ce que: - la surface de contact (13a) est un element a faible inertie thermique (13), - la surface de contact (13a) est connectee thermiquement aux moyens de generation de froid (11, 12) par l'intermediaire de moyens de transmission thermique presentant: un premier etat a conductance elevee, pour les etapes de piegeage des gaz, un second etat a conductance faible (23), pour les etapes de regeneration, - les moyens d'echauffement (14) vent prevus pour echauffer selectivement la surface de contact (13a) pendant les etapes de regeneration, - des moyens d'isolement (F1) vent prevus pour maintenir les gaz a
pieger a l'ecart des moyens de generation de froid (11, 12).
2 - Piege cryogenique selon la revendication 1, caracterise en ce que: la surface de contact (13a) est la surface exposee diun plateau (13) a faible inertie thermique deplacable entre une position de piegeage dans laquelle le plateau (13) est au contact des moyens de generation de froid (11, 12), et une position de regeneration dans laquelle le plateau (13) est a l'ecart des moyens de generation de froid (11, 12), - des moyens de deplacement (F2) vent prevus pour deplacer selectivement le plateau (13) entre ses deux positions, - les moyens d'echauffement (14) vent prevus pour echauffer selectivement le plateau (13) lorequ'il est en position de regeneration.
3 - Piege cryogenique selon la revendication 2, caracterise en ce qu'il comprend un corps creux (3) ayant une cavite interieure a zone proximale (16) et zone distale (17), la zone proximale (16) etant en communication avec une entree principale (4) par une vanne d'acces (2), la zone distale (17) contenant le piege cryogenique et etant en communication avec la zone proximale (16) qui la separe de 1' entree principale (4). 4 Piege cryogenique selon la revendication 3, caracterise en ce que la zone proximale (16) est en communication
avec des moyens de pompage par une vanne de sortie (6).
- Piege cryogenique selon l'une des revendications 3 ou
4, caracterise en ce que les moyens de generation de froid (11, 12) comprennent un noyau froid (11) a forte inertie thermique, place dans la zone distale (17), et agence pour que le plateau (13) vienne en appui sur le noyau froid (11) en position de piegeage, le noyau froid (11) etant lui-meme couple thermiquement a des moyens
externes de generation de froid (12a) par un doigt froid (12).
6 - Piege cryogenique selon la revendication 5, caracterise en ce que: le plateau (13) se deplace dans une portion cylindrique de la cavite du corps creux (3) avec un faible espace peripherique (15) entre le bord peripherique du plateau (13) et la paroi de la cavite, - des moyens dtinjection de gaz neutre (9, 10) creent dans ledit faible espace peripherique (15) un flux de gaz neutre (F1) circulant depuis la zone distale (17) en direction de la zone proximale (16), ledit flux de gaz neutre (F1) s'opposant au
passage des gaz a pieger vers le noyau froid (11).
7 - Piege cryogenique selon la revendication 6, caracterise en ce que les moyens de deplacement comprennent lesdits moyens de generation d'un flux de gaz neutre dans ledit faible espace peripherique (15) depuis la zone distale (17) en direction de la zone proximale (16), lesdits moyens de generation diun flux de gaz neutre etant adaptes pour generer selectivement un flux de gaz neutre a plus grand debit (F2) qui deplace le plateau (13)
jusqu'en position de regeneration.
8 - Piege cryogenique selon la revendication 7, caracterise en ce qu'il comprend des moyens de commande (20) qui commandant sequentiellement le fonctionnement des moyens d'injection de gaz neutre (9, 10), de la vanne d'acces (2), des
moyens d'echauffement (14) et de la vanne de sortie (6).
9 - Piege cryogenique selon l'une quelconque des
revendications 2 a 8, caracterise en ce que les moyens
d'echauffement comprennent une couronne chauffante (14) disposee dans la cavite du corps creux (3) au regard de la surface de contact (13a) du plateau (13) de facon que le plateau (13) vienne au contact de la couronne chauffante (14) par sa zone peripherique
lorsqu'il est en position de regeneration.
10 - Piege cryogenique selon l'une quelconque des
revendications 2 a 9, caracterise en ce qu'il comprend des moyens
pour promouvoir la connexion thermique entre le plateau (13) et le noyau froid (11) lorsque le plateau (13) est en position de
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