FR2888130A1 - Traitement d'effluents gazeux par plasma a pression atmospherique - Google Patents

Abstract

Un premier gaz ou mélange de gaz comportant au moins certaines molécules ayant au moins une liaison entre deux atomes constituant lesdites molécules est transformé en un deuxième gaz ou mélange de gaz, contenant éventuellement des produits liquides et/ou solides issus de cette transformation, au moins une liaison entre deux atomes desdites molécules étant rompue sous l'action d'un champ électrique et/ou magnétique auquel ledit premier gaz ou mélange de gaz est soumis. Le flux de gaz ou mélange de gaz est injecté à travers le champ électrique et/ou magnétique de manière non rectiligne afin d'augmenter la longueur parcourue par les molécules de gaz au travers dudit champ et ainsi augmenter l'efficacité de rupture des liaisons des molécules du premier gaz ou mélange de gaz, la pression du gaz ou mélange de gaz étant uniformisée avant l'injection de celui-ci dans le champ électrique et/ou magnétique.

Description

Procédé et appareil d'uniformisation de la pression des gaz injectés dans

un plasma.

La présente invention concerne un procédé de transformation d'un premier gaz ou mélange de gaz comportant au moins certaines molécules ayant au moins une liaison entre deux atomes constituant lesdites molécules, en un deuxième gaz ou mélange de gaz, contenant éventuellement des produits liquides et/ou solides issus de cette transformation, dans lequel au moins une liaison entre deux atomes desdites molécules est rompue sous l'action d'un champ électrique et/ou magnétique auquel ledit premier gaz ou mélange de gaz est soumis.

Un procédé de ce type dans son application de destruction d'effluents est connu notamment de US-A-5,965,786.

Les plasmas sont notamment appliqués à la dépollution des rejets émis par les procédés de dépôt et gravure de couches minces pour la fabrication des semi-conducteurs. Ces effluents (gaz perfluorés, halogénés corrosifs, hydrures gazeux, précurseurs organométalliques...) se présentent à l'échappement des pompes à vide primaires avec des concentrations relativement élevées dans un flux de 15 à 60 litres d'azote pour chaque pompe. Pour convertir la plus grande partie de ces quantités importantes de molécules nuisibles, les décharges micro-ondes à la pression atmosphérique sont préférables à d'autres en raison de leur densité électronique élevée (1012 à 1015 cm-3) permettant d'induire un grand nombre de collisions inélastiques dissociatives.

Une caractéristique des plasmas micro-ondes atmosphériques est l'énergie moyenne relativement élevée prise par les particules lourdes (neutres et ions). La température du gaz peut en effet atteindre de 3000 à 7000 K dans la zone de l'axe de l'enceinte diélectrique contenant la décharge. La paroi de cette enceinte (par exemple un tube diélectrique) doit quant à elle demeurer à une température plus basse compatible avec son intégrité physique. Aussi est-elle de préférence refroidie par la circulation à son contact d'un fluide diélectrique caloporteur. Il existe donc un gradient radial de température décroissant de l'axe vers la périphérie. Lorsque la température diminue, la densité du gaz augmente, l'ionisation est moins probable et la recombinaison des particules chargées est favorisée. Ainsi la densité électronique décroît en même temps que la température de l'axe du tube vers la périphérie. Visuellement, on a constaté que l'intensité lumineuse de la décharge s'atténue lorsqu'on s'éloigne de l'axe. Dans certains cas, la densité électronique devient très faible pour une position axiale inférieure au rayon du tube et la décharge ne remplit plus la section de ce dernier. On dit alors que la décharge est contractée.

La forme de cette distribution radiale décroissante vers la périphérie de la densité électronique dépend notamment des paramètres opérationnels du plasma: nature et concentrations des différents gaz polluants dans l'azote, débit total, puissance micro-ondes. Elle dépend aussi de paramètres fixés au préalable comme le diamètre interne du tube à décharge, et la nature du matériau le constituant (via notamment la conductivité thermique).

On conçoit que la répartition radiale de densité électronique et de température du gaz influence la relation d'échange thermique entre le milieu gazeux et la paroi du tube, et par là -même la fiabilité de cette dernière. On a constaté que certains gaz comme l'hélium et l'hydrogène, à partir de concentrations dans l'azote de l'ordre du pour cent, ont pour effet de favoriser l'expansion radiale de la décharge et donc d'augmenter la température du gaz au voisinage de la paroi du tube. Ainsi le vieillissement de ce dernier par effet thermique est accentué.

On a également constaté que d'autres gaz ont l'effet inverse et favorisent la contraction radiale de la décharge. Dans ce cas, on observe généralement que le plasma ne reste pas constamment centré sur l'axe, mais se déplace de manière aléatoire dans la section du tube. Lorsque le plasma se décentre et se rapproche de la paroi du tube, celle-ci est exposée temporairement à une température de gaz très élevée ainsi qu'à l'action d'électrons hors d'équilibre thermodynamique, d'énergie encore plus haute. Le cas limite est celui où le plasma se présente comme un ou plusieurs filaments très denses qui, s'ils viennent en contact pendant un temps suffisant de la paroi, induisent des contraintes localisées extrêmes sur cette dernière. Il y a alors risque de rupture de la paroi par surcharge thermomécanique, d'érosion ponctuelle de la paroi du tube par les espèces fluorées de haute énergie, et également de carbonisation du fluide diélectrique de refroidissement sur la surface externe du tube en regard du point de contact du plasma sur la paroi.

Une première solution pour ce type de problèmes consiste à utiliser un tube de matériau à très hautes performances comme le nitrure d'aluminium, avec lequel ce phénomène de dégradation devient extrêmement rare sans qu'il soit impossible d'en prévoir l'occurrence, cependant. Notamment, les paramètres gouvernant le phénomène de contraction et de filamentation sont généralement imposés par les caractéristiques des recettes des procédés de l'utilisateur qui peuvent mettre en oeuvre des gaz halogénés divers, un gaz plasmagène comme l'argon et différents adjuvants comme l'hélium, l'hydrogène ou d'autres additifs chimiques, voire des gaz rares lourds, tout cela dans des proportions très variables et généralement non connues.

Comme de plus le phénomène de contact du plasma et de la paroi est luimême totalement aléatoire, il est donc très difficile de se prémunir contre ces phénomènes qui induisent un risque d'avarie de fonctionnement et donc de sécurité de l'installation.

Par ailleurs, l'existence d'un gradient radial de densité du plasma joue également un grand rôle dans la limitation des performances des systèmes de destruction d'effluents. En effet, la zone périphérique de l'enceinte est plus froide et appauvrie en électrons. Par conséquent, la dissociation des molécules de gaz polluants est moins probable dans cette zone périphérique que dans la zone centrale et leur reformation à partir de leurs fragments est favorisée (du fait que l'on se trouve à des concentrations absolues relativement élevées). Une molécule de gaz polluant traversant l'enceinte en restant dans cette zone périphérique de basse énergie a une probabilité beaucoup plus faible d'être dissociée que si elle transitait près de l'axe. On pourrait envisager que ladite molécule, au cours de son parcours, migre vers la zone centrale plus chaude par diffusion, convection ou turbulence. Toutefois, dans l'azote, la colonne de plasma est relativement courte et la vitesse de passage relativement élevée si l'on tient compte du débit total d'azote en sortie des pompes primaires, de sorte que ces processus d'échange de matière n'ont guère le temps de s'accomplir.

L'invention concerne également les générateurs de gaz tels que le fluor F2 obtenus par craquage dans un plasma d'une molécule telle que NF3. Un tel procédé et le générateur associés sont décrits dans la demande internationale N PCT/FR05/01652 déposée le 29 juin 2005 au nom de la Demanderesse.

L'invention permet notamment de répondre aux problèmes posés par les plasmas micro-ondes dans une enceinte, notamment un tube: - d'une part, en s'opposant aux variations de diamètre et aux décentrages axiaux aléatoires du plasma pour améliorer l'endurance et la fiabilité du tube à décharge; d'autre part, en forçant les molécules de gaz polluants à effectuer un parcours notablement plus long dans les zones denses du plasma afin de mieux utiliser l'excès d'espèces actives disponibles en moyenne dans le système, et ainsi d'augmenter l'efficacité de conversion ramenée à la puissance injectée.

Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le flux de gaz ou mélange de gaz est injecté à travers le champ électrique et/ou magnétique de manière non rectiligne afin d'augmenter la longueur parcourue par les molécules de gaz au travers dudit champ et ainsi augmenter l'efficacité de destruction des molécules de gaz ou mélange de gaz.

De préférence, le gaz ou mélange de gaz est injecté dans le champ avec une quantité de mouvement tangentielle du gaz ou mélange de gaz supérieure à la quantité de mouvement axiale dudit gaz ou mélange de gaz; plus préférentiellement, la quantité de mouvement tangentielle est très supérieure à la quantité de mouvement axiale.

Selon un aspect de l'invention, au moins une partie du gaz ou mélange de gaz est injectée avec une composante tangentielle de vitesse dans une cavité, de préférence tubulaire avant d'être soumise à l'action du champ électrique et/ou magnétique.

De préférence, le gaz ou mélange de gaz est injecté par l'intermédiaire d'une pluralité d'injection comportant une composante tangentielle.

Selon une variante préférentielle, les injections tangentielles sont régulièrement réparties sur la circonférence.

Différentes variantes de réalisation sont possibles et notamment: les injections ou mélanges de gaz sont toutes situées dans le même plan; 5 ou les injections sont situées dans différents plans.

Les injections qui sont situées dans un même plan sont régulièrement réparties dans ce plan.

Selon une variante de réalisation: au moins un plan ne comporte qu'une injection; et/ou au moins un plan comporte deux injections à 180 ; et/ou au moins un plan comporte trois injections à 120 ; et/ou au moins un plan comporte quatre injections à 90 .

En général, le ou les plans d'injection sont perpendiculaires à l'axe du tube ou de la cavité soumis au champ. Cependant, selon une variante de l'invention, au moins une des injections est réalisée au travers d'un orifice orienté de manière à donner une composante de vitesse des gaz injectés parallèle à la direction d'écoulement souhaité pour les gaz vers ou dans la cavité. Ainsi dans le cas d'une injection gazeuse dans une cavité, notamment tubulaire, qui en cours d'utilisation, est disposée généralement verticalement, le gaz s'écoulant du haut vers le bas, on préférera, dans certains cas, réaliser cette injection non pas horizontalement, mais selon une direction inclinée vers le bas par rapport à l'axe vertical de la cavité, selon un angle qui pourra varier entre 0 et 90 , de préférence entre 20 et 70 , plus préférentiellement aux environs de 45 .

Les conditions de fonctionnement des dispositifs plasma situés à la sortie des pompes des réacteurs de gravure et dépôt (à pression atmosphérique ou proche de la pression atmosphérique) doivent, en général, permettre d'absorber un débit total en entrée supérieur à 80 litres par minute (slm) lorsque les échappements de plusieurs chambres de gravure sont connectées simultanément à l'unité de dépollution et fonctionnent simultanément. Le gaz est alors constitué essentiellement d'azote. Pour obtenir une bonne efficacité de conversion des molécules les plus stables, comme les PFC, la puissance totale nécessaire doit être en général supérieure à 3 kW et on prévoit un refroidissement de la paroi externe de la cavité, notamment du tube à décharge.

La mise en oeuvre de l'invention permet en général l'établissement d'un système de forces hydrodynamiques qui tendent à maintenir une symétrie axiale du système et empêcher qu'une perturbation aléatoire notamment de nature électromagnétique ou thermique n'écarte le plasma de la position axiale.

Parmi les avantages de l'invention, on notera: - la diminution de la température moyenne de la paroi permettant ainsi d'espacer davantage les opérations de maintenance préventive du tube à décharge; - le maintien du plasma à distance de la paroi de la cavité (le tube, par 20 exemple) évitant des élévations localisées de température de cette paroi, pouvant atteindre des températures de l'ordre de 1000 C.

L'écoulement du fluide selon l'invention permet d'allonger considérablement le parcours du gaz dans la zone active en imprimant au flux de préférence un mouvement hélicoïdal (lorsqu'on utilise une cavité à symétrie axiale), et aussi en favorisant les échanges de matière par turbulence entre zones de haute et basse énergie du plasma.

En pratique, il est préférable, notamment lorsqu'on veut maintenir le mouvement hélicoïdal de respecter un certain nombre de contraintes. De préférence: - Il faut d'abord conserver la compacité du dispositif, sans ajouter si possible d'encombrement supplémentaire notable au dispositif ne comportant par l'injection de gaz selon l'invention.

- Il faut également conserver une perte de charge limitée sur le flux de gaz à traiter, imposée par la pression de fonctionnement à l'échappement de la pompe primaire dans le cas d'une utilisation pour la destruction des effluents issus d'un réacteur de fabrication de semi-conducteurs.

D'une manière générale, l'injection de gaz sera de préférence tangentielle et réalisée au moyen d'un ou plusieurs canaux ménagés dans la bride de raccordement de la canalisation d'amenée du courant d'effluents gazeux en amont du tube à décharge.

Dans le cas notamment d'un mouvement hélicoïdal du gaz, ce flux gazeux moteur utilisé pour obtenir un tel mouvement peut se réduire aux effluents gazeux susmentionnés provenant de l'échappement de la pompe primaire. Pour maintenir un tel mouvement de manière stable, il faut généralement que la quantité de mouvement tangentielle du gaz soit de préférence nettement plus grande que son homologue axiale. Cela implique de ménager des canaux d'arrivée tangentiels du gaz au niveau du raccord d'alimentation du tube qui soient chacun d'une section sensiblement plus faible que le diamètre du tube à décharge. Ceci ajoute une composante non négligeable à la perte de charge du dispositif, qui ne doit pas atteindre une valeur telle que la surpression totale à l'échappement de la pompe primaire dépasse la limite pratique permise.

Cependant, les systèmes de traitement d'effluents sont généralement exploités à capacité variable souvent en permanence avec un à quatre réacteurs de procédé débitant à la fois. Pour maintenir le mouvement hélicoïdal, notamment tout en respectant une perte de charge maximale, le diamètre des canaux d'injections de gaz sera adapté au flux traité.

Pour s'adapter aux débits variables dans une large gamme, on pourra par exemple utiliser pour le lancement du vortex un flux de gaz moteur auxiliaire supplémentaire, qui ne sera pas nécessairement soumis à la contrainte d'une surpression maximale en entrée. De manière plus précise, le fonctionnement d'un système de traitement d'effluents par plasma notamment micro-ondes nécessite en général l'ajout d'un ou plusieurs gaz auxiliaires réactifs, par exemple de l'air, de l'oxygène, de la vapeur d'eau, etc... apportés par exemple sous forme d'air comprimé. Très souvent également, pour des raisons liées à l'exploitation, on augmente ce flux d'air au-delà de la simple valeur nécessaire à l'accomplissement des réactions chimiques de conversion des polluants. Ce flux d'air additionnel peut provenir du réseau de distribution de l'usine de fabrication de semi-conducteurs, sous une pression de plusieurs bars. Il est donc parfaitement utilisable sur des orifices de petit diamètre. De plus la dilution supplémentaire introduite est largement compensée par l'augmentation de l'efficacité spécifique de destruction des polluants induite par la présence du flux de gaz selon l'invention, notamment le mouvement hélicoïdal de ces gaz.

Concrètement, le système d'injection peut prendre plusieurs formes. Les canaux tangentiels peuvent déboucher à un seul niveau ou à plusieurs.

L'alimentation en gaz en amont des canaux d'injection (division du flux) est ménagée, de manière connue en soi, afin à ne pas ajouter de perte de charge significative.

Lorsqu'on utilise un tube diélectrique, par exemple comme décrit dans le brevet US-A-5,965,786, le diamètre interne maximal du tube est imposé par le phénomène de gradient radial de densité électronique de la décharge. Lorsqu'on augmente la valeur du diamètre interne du tube, toutes choses égales par ailleurs, on constate que l'efficacité de conversion des polluants croît tout d'abord du fait de l'augmentation du temps de résidence avec celle de la section. Toutefois, au-delà d'une certaine valeur, l'efficacité diminue du fait que la section de la décharge remplit une fraction de moins en moins importante de la section du tube et l'extension radiale de la zone froide périphérique augmente. Ainsi une proportion de plus en plus grande de molécules polluantes est susceptible de traverser le tube dans une région de faible activité réactionnelle et le rendement de conversion du dispositif diminue.

En adjoignant un mouvement hélicoïdal aux gaz, on peut utiliser un diamètre interne de tube diélectrique sensiblement plus grand que celui utilisé sans ce mouvement des gaz, sans risque de chute importante de l'efficacité de conversion. L'utilisation d'un tube de plus grand diamètre permet de traiter des débits plus grands en augmentant la puissance fournie au plasma, sans accentuer la sollicitation thermique du tube et sans augmenter la perte de charge.

Le gaz à traiter peut être injecté sous pression, en général, comprise entre 105 et 7 x 105 Pascal (1 à 7 bars en pression relative). On peut y ajouter un gaz inerte (azote, argon) pour compléter le débit de gaz à traiter ou décomposer, de manière à avoir toujours de préférence un débit total de gaz qui doit en général rester supérieur à 20 I/mn (slm) pour éviter de courir le risque d'éteindre le plasma (voir définition des minima ci-après). Selon une variante de l'invention, on pourra prévoir une chambre d'uniformisation de la pression en amont des injections non rectilignes, par exemple, dans une cavité cylindrique.

Les injections de gaz ou mélange de gaz pourront être réalisées soit à un même niveau, soit sur deux niveaux séparés. En général, on préfèrera des injections positionnées toutes au même niveau, notamment lorsqu'il s'agit de traiter un gaz sous faible pression, par exemple un gaz en refoulement d'une pompe à vide primaire, généralement à une pression qui reste inférieure à 2 X 104 Pascal (200 mbars).

Par contre, si l'on utilise un gaz additionnel inerte sous pression de manière à obtenir un mélange à pression relative jusqu'à 7 x 105 Pascal (7 bars), on pourra utiliser des systèmes d'injection positionnés sur deux niveaux séparés. Par exemple, l'étage supérieur (pour un mouvement des gaz plasmagènes dirigés verticalement vers le bas) recevra les injections de gaz inerte et l'étage inférieur des gaz à traiter. On peut ainsi créer avec ces systèmes séparés de gaz inerte supplémentaire un gainage du plasma dans le tube diélectrique, par exemple, permettant de mieux isoler le plasma des parois du tube et d'éloigner celui-ci desdites parois.

Dans le procédé selon l'invention, le premier gaz ou mélange de gaz est un mélange comportant des effluents gazeux fluorés tels que notamment PFC, HFC ou gaz similaires.

De plus, le premier gaz ou mélange de gaz comporte des molécules ayant une liaison entre un atome de fluor et un autre atome susceptibles d'engendrer du fluor moléculaire par passage dans le champ électrique et/ou magnétique.

Les injections de gaz à traiter sont en général réalisées dans un premier plan et une injection de gaz moteur tel que l'air, l'azote ou l'oxygène, est réalisée dans un second plan, de préférence parallèle au premier.

L'invention va être illustrée sur les figures qui représentent: la figure 1, une vue en coupe du système d'injection de gaz selon l'invention; la figure 2, une vue en coupe selon A du dispositif de la figure 1; la figure 3, une vue en coupe selon B du dispositif de la figure 1; - les figures 4 et 5, en vue des différents résultats de mesures; - la figure 6, une vue en coupe verticale d'une tête d'injection dynamique à simple étape; la figure 7, même en coupe verticale d'une tête d'injection dynamique à deux étages.

Sur la figure 1, le dispositif d'injection de gaz 1 a été modifié par rapport aux dispositif décrit dans US-A-5,965,786 dans lequel on avait par exemple une seule injection tangentielle de gaz réalisée dans une ouverture cylindrique latérale de diamètre sensiblement égal à celle du tube diélectrique 5 où se produit le plasma (grâce à des moyens non représentés sur la figure). Si l'on considère l'axe X-A' orienté verticalement (axe du tube diélectrique 5 et de la cavité d'injection de gaz 4) les injections de gaz à traiter sont réalisées selon cet exemple au travers de la pièce 2 selon quatre orifices d'injection 7, 8, 9 et 10 (figures 1 et 2) situées dans un plan perpendiculaire à X-X'. Ces orifices se prolongent respectivement par des canalisations respectivement 11, 12, 13 et 14 pour rejoindre la cavité d'injection des gaz 4. Ces quatre canalisations et orifices sont orientés respectivement à 90 selon cet exemple. Voir figure 2 qui est une coupe selon le plan orthogonal A-A au travers de la pièce 2. Au-dessus de la cavité d'injection des gaz se trouve l'électrode 3 permettant d'allumer le plasma. Dans le plan orthogonal B-B (voir coupe figure 3) se trouvent une seconde série d'orifices 20, 21 et de canalisations 22, 23 d'injection de gaz, disposées respectivement à 180 l'une de l'autre. Dans ces orifices, on injecte un gaz par exemple sous pression (par exemple de 2 à 10 x 105 Pa) tel que l'air comprimé toujours disponible dans une usine de fabrication. Ce gaz sous pression va avoir un effet moteur pour former le mouvement hélicoïdal du gaz à traiter issu des quatre orifices dans le plan A-A.

On peut injecter également le gaz de procédé à détruire dans le plan B-B, mais on préfère injecter de l'air, de l'azote, éventuellement un gaz oxydant favorisant une réaction avec les molécules détruites et sous pression, de préférence (entre 1 et 10 x 105 Pa). Toutes les orientations d'injection des différents gaz sont possibles, en particulier des orientations qui ne se faisaient pas dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube, mais selon un angle inférieur à 90 (co- courant) ou supérieur à 90 (contre-courant),... etc. La division préalable du flux total pour alimenter de façon uniformément répartie les 4 canaux 7, 8, 9 et 10 dans l'exemple se fait usuellement à partir d'une chambre d'uniformisation (non représentée) dans laquelle se mélangent les flux de gaz et dont les conditions s'uniformisent, dans laquelle débouche la canalisation principale provenant des échappements des pompes. De cette chambre partent de manière relativement symétrique quatre canalisations dérivées. Autant que possible, le flux d'entrée et les flux divisés de sortie de cette chambre doivent être parallèles pour ne pas ajouter de pertes de charge.

A fort débit (par exemple, quatre chambres de gramme connectées simultanément) un tel débit, il n'est pas nécessaire d'utiliser les canaux d'injection du flux de gaz auxiliaire (plan B-B) pour avoir une impulsion tangentielle suffisante pour maintenir le mouvement hélicoïdal du gaz. Toutefois, on peut injecter par ces canaux 22, 23 un flux d'air comprimé minimal servant à apporter la quantité d'oxygène nécessaire à l'accomplissement des réactions chimiques de conversion des molécules perfluorées.

Des expériences de destruction ont été réalisées avec un mélange de SF6 dilué dans l'azote, à une concentration représentative de 5000 parties par million en volume (ppmv). On ajoute de l'oxygène comme gaz auxiliaire réactif à raison de 1,5 fois environ la quantité en volume de SF6 à traiter. La figure 4 montre l'évolution du taux de destruction de SF6 en fonction de la puissance micro-onde (nette) fournie au plasma, ainsi que la perte de charge totale entre l'entrée du gaz dans la chambre d'uniformisation et la sortie des gaz après refroidissement dans un échangeur thermique (non représenté sur la figure) servant à refroidir le gaz sortant en aval du tube diélectrique où a lieu la décharge.

Les performances du même dispositif (toutes choses égales par ailleurs) selon USP 5,965,786 sans l'invention et avec l'invention (c'est-à-dire avec une pièce 2 comportant une seule entrée de gaz radiale selon un diamètre voisin de celui du tube 4 et une pièce selon l'invention avec ses injections tangentielles de gaz) sont considérablement améliorées.

En effet, selon l'invention un taux de destruction de 90% est obtenu à une puissance de 3000 W environ, et un taux de destruction de 99% à 3500 W. Sans l'invention, il n'est pas possible de traiter un débit de 80 litres/mn (slm) avec des performances suffisantes pour présenter un intérêt pratique.

En utilisant un dispositif sans mise en oeuvre de l'invention et avec seulement 60 slm de débit, il faut plus de 5500 W pour détruire à 95 % la même concentration de 5000 ppmv de SF6. Par comparaison avec l'invention (60 slm et même mélange) il suffit de moins de 2500 W. Des mesures additionnelles à 80 slm ont montré que le résultat dépend peu 10 de la concentration de SF6 entre 1000 et 5000 ppmv.

La perte de charge reste parfaitement dans les limites prescrites pour l'exploitation industrielle, avec une certaine marge pour le cas des fluctuations inopinées qui pourraient résulter de certaines conditions de fonctionnement.

En outre, on constate effectivement un changement radical dans la répartition spatiale du plasma et sa stabilité dans le temps. Le plasma reste bien centré sur l'axe et présente une extension radiale apparente moins grande que dans le cas de l'injection sans injection hélicoïdale des gaz. On a visualisé avec une caméra à travers un tube transparent en silice en incidence latérale: cette visualisation a montré l'absence d'instabilités avec décentrage et l'absence de collage du plasma à la paroi du tube. On a également réalisé des visées axiales dans un tube de céramique qui confirment la fixité du plasma au centre de la section du tube.

On a également constaté que la quantité de chaleur rayonnée par le plasma était moindre avec l'invention que sans l'invention.

Des expériences de destruction dans les conditions nominales ont pu être poursuivies pendant plusieurs heures dans un tube à décharge en silice, sans aucun dommage constaté sur les parois du tube, notamment de dépolissage suite à l'attaque chimique en surface par les composés fluorés corrosifs. En comparaison, sans mise en oeuvre de l'invention et dans les même conditions, un tube en silice est percé par érosion chimique et/ou fusion locale en quelques minutes.

Pour des débits totaux de 50 et 60 slm, on utilise le même mode d'injection (effluents de procédé entrant par les 4 canaux tangentiels de diamètre environ moitié de celui du tube diélectrique et injection d'air comprimé par les deux canaux 22, 23 de diamètre environ moitié des canaux 1, 8, 9 et 10). Le taux de destruction ramené à la puissance micro-onde est sensiblement meilleur qu'à 80 slm et la perte de charge diminue.

Lorsqu'on réduit le flux total en-dessous de 50 slm, on peut encore dans cette configuration d'alimentation entretenir un mouvement hélicoïdal stable pour un débit aussi bas que 30 slm. Toutefois, on constate un peu moins de stabilité dans l'écoulement des gaz.

A faible débit, il est donc préférable d'utiliser les canaux d'injections auxiliaires 22, 23 pour apporter une force motrice supplémentaire pour l'entretien du mouvement hélicoïdal du gaz, en augmentant le débitadditionnel d'air ou d'azote à concurrence d'un débit total de 50 slm par exemple.

Ainsi, lorsqu'une seule chambre de gravure est en fonctionnement (débit de 20 slm environ) on ajoute 30 slm d'air ou d'azote par les canaux d'injection 25 auxiliaires lorsque l'échappement de l'équipement de procédé débite 20 slm (une) On ajoute 10 slm d'air ou d'azote par les canaux d'injection auxiliaires lorsque l'échappement de l'équipement de procédé débite 40 slm (deux chambres de gravure en fonctionnement).

La figure 5 montre l'évolution du taux de destruction et de la perte de charge en fonction de la puissance micro-ondes nette, dans le premier cas ci-dessus (20 + 30 slm). On notera que les courbes sont très similaires pour le second cas (40 + 10 slm) quelle que soit la concentration en gaz perfluoré, notamment comprise entre 1000 ou 5000 ppm.

Sur la figure 6, est représentée une tête d'injection dynamique à un seul étage comportant une chambre d'uniformisation 101 de pression du gaz ou mélange de gaz.

Le gaz à traiter est injecté via le canal 100 dans la chambre 101 où la pression du gaz est égalisée. Cette chambre est délimitée comme une couronne cylindrique 101 entourant le tube 105 dans lequel sont injectés les gaz à traiter via les injections 106 à travers le corps 108 qui entoure la partie supérieure du tube 105 et le bloc électrode 104 d'allumage du plasma qui traverse le couvercle 102 de la chambre 101 et du corps de chambre 103. La partie inférieure du tube 105 s'élargie en 107 pour venir s'emboîter sur le tube diélectrique (non-représenté).

Sur la figure 7, est représentée une tête d'injection dynamique à deux étages sur laquelle les mêmes éléments que ceux de la figure 6 portent les mêmes références. Les injections de gaz à traiter se font par les orifices 201 sur la partie supérieure, tandis que les injections de gaz auxiliaire (azote, argon) se font par les orifices bas 203 en communication avec la chambre d'uniformisation de pression 205, alimentée via le canal 204.

La tête d'injection dynamique est installée directement à la verticale du tube céramique dans lequel le plasma s'établit.

La tête décrite sur les figures 6 et 7 donne aux gaz un mouvement circulaire avec un déplacement vers le bas coaxial au tube de sorte que le plasma créé ne colle pas accidentellement à la paroi et s'en trouve suffisamment éloigné pour offrir une protection renforcée du tube. Le tube céramique ainsi protégé (5) voit sa charge thermique réduite de 25 à 35 %, qui se traduit par une température d'huile de refroidissement sensiblement plus basse qu'en l'absence de mouvement circulaire vers le bas des gaz.

L'huile du système de refroidissement ne se dégrade pas au contact de la paroi céramique chaude (l'absence de dépôt carboné sur la paroi externe du tube (côté huile) témoigne de l'efficacité du dispositif et de l'homogénéité de la température de peau du tube).

La fréquence des maintenances préventives de l'appareil a pu être réduite.

Pour un fonctionnement efficace de l'injection dynamique, il est généralement nécessaire d'injecter un débit minimum de gaz de 2 à 60 I/m environ selon la configuration géométrique de la tête (Nombre d'injecteurs, diamètre des injecteurs, angle d'incidence, ...etc.).

Pour rester dans un régime permanent de Vortex au niveau du plasma le débit total doit être ajusté en permanence en ajoutant un débit complémentaire d'azote en autre gaz neutre (de 0 à 50 I/m) (le débit est calculé en fonction du nombre des chambres à traiter, plusieurs chambres étant branchées en parallèles sur le système).

Dans tous les cas, la somme des débits des pompes primaires à traiter et de 5 l'azote additionnel doit être supérieure au débit minimum de fonctionnement du plasma, qui dans tous les cas ne peut être inférieur à 2 I/mn.

L'invention décrite ci-dessus ne se limite pas aux plasmas d'onde de surface mais concerne tout plasma micro-ondes atmosphérique entretenu dans une cavité, notamment un tube diélectrique, que ce soit à partir d'une cavité résonnante ou à l'intérieur d'un circuit micro-ondes, par exemple dans un guide rectangulaire creux.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Procédé de transformation d'un premier gaz ou mélange de gaz comportant au moins certaines molécules ayant au moins une liaison entre deux atomes constituant lesdites molécules, en un deuxième gaz ou mélange de gaz, contenant éventuellement des produits liquides et/ou solides issus de cette transformation, dans lequel au moins une liaison entre deux atomes desdites molécules est rompue sous l'action d'un champ électrique et/ou magnétique auquel ledit premier gaz ou mélange de gaz est soumis, le flux de gaz ou mélange de gaz étant injecté à travers le champ électrique et/ou magnétique de manière non rectiligne afin d'augmenter la longueur parcourue par les molécules de gaz au travers dudit champ et ainsi augmenter l'efficacité de rupture des liaisons des molécules au premier gaz ou mélange de gaz, la pression du gaz ou mélange de gaz étant uniformisée avant l'injection de celui-ci dans le champ électrique et/ou magnétique.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier gaz ou mélange de gaz est un mélange comportant des effluents gazeux fluorés tels que notamment PFC, HFC ou gaz similaires.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier gaz ou mélange de gaz comporte des molécules ayant une liaison entre un atome de fluor et un autre atome, susceptibles d'engendrer du fluor moléculaire par passage dans le champ électrique et/ou magnétique.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz ou mélange de gaz est injecté dans le champ avec une quantité de mouvement tangentielle du gaz ou mélange de gaz supérieure à la quantité de mouvement axiale dudit gaz ou mélange de gaz.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la quantité de mouvement tangentiel est très supérieure à la quantité de mouvement axiale.

6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, au moins une partie du gaz ou mélange de gaz est injectée avec une composante tangentielle de vitesse dans une cavité tubulaire avant d'être soumise à l'action du champ électrique et/ou magnétique.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz ou mélange de gaz est injecté par l'intermédiaire d'une pluralité d'injection comportant une composante tangentielle.

8. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les injections tangentielles sont régulièrement réparties sur la circonférence.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections sont situées dans le même plan.

10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections sont dans des plans différents.

11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections situées dans un même plan sont régulièrement réparties.

12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les injections de gaz à traiter sont réalisées dans un premier plan et une injection de gaz moteur tel que l'air, l'azote ou l'oxygène est réalisée dans un second plan, de préférence parallèle au premier.

13. Appareil d'injection de gaz pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 12, comportant au moins un premier canal d'injection de gaz, ce canal débouchant dans une chambre d'égalisation de pression (101).

14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un second canal d'injection de gaz, de préférence situé dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube.

15. Appareil selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte une tête d'injection dynamique à deux niveaux comportant également des orifices d'injection de gaz auxiliaire (203).