Bronkhorst

Régulation de débit et de pression pour réacteurs à plasma

13 avril 2021 Dion Oudejans

Parallèlement à la formation naturelle de plasma, ce phénomène physique fascinant intervient aussi dans de nombreux procédés de fabrication de produits du quotidien, tels que les téléphones portables, les ordinateurs, les panneaux solaires et même les vitres de nos fenêtres.

Ces procédés reposent sur l’utilisation d’un réacteur à plasma. Dans ces réacteurs, la régulation du débit gazeux, du débit de la vapeur et de la pression joue un rôle clé. La régulation du débit et de la pression des gaz ajoutés à ces réacteurs est assurée par des régulateurs de débit et régulateurs de pression. Les régulateurs de débit régulent le débit de gaz vers la chambre du réacteur, où ils passent alors à l’état plasma ; le régulateur de pression évacue pour sa part l’excédent de gaz de la chambre du réacteur, tout en maintenant une pression constante. 

En tant que responsable de produits chez Bronkhorst pour les instruments reposant sur la technologie MEMS, l’importance de ces outils m’apparait comme une évidence dans le cadre des applications à technologie plasma. Après avoir reçu de nombreuses questions sur l’utilisation du plasma, j’ai décidé de rédiger ce petit article sur le sujet.

Régulation de débit et de pression pour les réacteurs à plasma

Qu’est-ce que le plasma ?

Le dictionnaire définit le plasma, en termes physiques, comme un « gaz conducteur à très haute pression et ionisé ». En raison de l’ionisation et de la recombinaison continues des ions et des électrons, le plasma émet une superbe lumière. Le plasma est aussi appelé « quatrième état » de la matière, à côté de l’état solide, liquide et gazeux.

Plasma naturel : aurores boréales
Plasma naturel : aurores boréales

Parmi les exemples de plasma naturel, citons la foudre, les aurores boréales et l’activité nucléaire dans le soleil et les autres étoiles. L’homme a étudié l’apparition naturelle de plasma et l’a convertie en une technologie aujourd’hui utilisée dans de nombreux procédé et applications, tels que les lampes à plasma, les réacteurs nucléaires à fusion, les tubes TL et bien sûr, les réacteurs à plasma.

Régulation de débit et de pression pour réacteurs à plasma

Le plasma permet l’application de revêtement sur les puces en silicium, sur le verre ou sur des objets en métal. Un fin revêtement peut ainsi être appliqué aux puces électroniques par le biais d’un procédé de gravure avec traitement au plasma. Le plasma peut aussi servir à nettoyer une surface pour améliorer l’adhérence entre deux pièces avant de les coller. 

Les gaz qui sont conduits dans un réacteur forment un plasma ionisé grâce à l’application d’un courant électrique. Un bon ajustement des différents flux gazeux, la pression du réacteur, la température et la puissance électrique, amènent une émission de lumière colorée qui se répand dans le réacteur. Les différents débits gazeux et la pression du réacteur sont paramétrés au moyen de régulateurs de débit et de régulateurs de pression électroniques.

 Revêtement du verre : exemple de dépôt physique en phase vapeur – PVD
Revêtement du verre : exemple de dépôt physique en phase vapeur – PVD

Dépôt en phase vapeur, dépôt de couches minces atomiques et techniques de gravure

CVD, PVD, ALD, RIE, IBE, SAB : autant d’abréviations de techniques de production largement utilisées dans l’industrie des semi-conducteurs, dans la production de cellules photovoltaïques et dans d’autres industries recourant à un traitement de surface. Ces manipulations sont souvent effectuées dans des réacteurs à plasma, recourant à du plasma composé d’un mélange gazeux ou de vapeur.

Techniques de dépôt

  • CVD: Chemical Vapour Deposition
  • PVD: Physical Vapour Deposition 
  • ALD: Atomic Layer Deposition

Ecran d'ordinateur portable : exemple de dépôt chimique en phase vapeur – CVD
Ecran d'ordinateur portable : exemple de dépôt chimique en phase vapeur – CVD

Ces techniques ont pour finalité de déposer une très fine couche de revêtement, de quelques nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur. La majorité des vitres de vos fenêtres sont munies d’un traitement antireflet, réalisé par dépôt physique en phase vapeur, ou PVD.

L’écran de l’ordinateur que vous avez devant vous contient probablement des millions de pixels, élaboré par dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD.

Consultez notre site Internet pour découvrir d’autres applications de techniques de traitement de surface.
 

Techniques de gravure

  • RIE means Reactive Ion Etching
  • IBE means Ion Beam Etching
Ces techniques de gravure – ou « etching » – sont utilisées pour retirer des couches de matériaux à la surface de puces semi-conductrices ou de puces de capteur.
 

Surface Activated Bonding - SAB


Le « Surface Activated Bonding » est, entre autres, utilisé dans la fabrication de capteurs et de circuits imprimés électroniques. 

Systèmes de régulation de débit pour réacteur à plasma

En collaboration avec des intégrateurs, Bronkhorst fournit des systèmes de régulation de débit et de pression. Un exemple de montage pour un procédé au plasma est représenté dans le schéma fluidique ci-dessous. 

Les régulateurs de débit introduisent le débit du gaz vers la chambre du réacteur, ces gaz se transforment alors en plasma et permettent la réaction voulue au contact du matériau. Le régulateur de pression joue un rôle important dans le système puisqu’il permet d’évacuer l’excédent de gaz de la chambre du réacteur, tout en maintenant une pression stable.
 

Dans ce montage, un évaporateur – Controlled Evaporator Module (CEM) – est associée à un régulateur de débit liquide et à un régulateur de débit gazeux pour fournir de la vapeur à un réacteur à plasma. De plus , le régulateur de débit gazeux monté après le CEM, permet l’ajout d’un gaz supplémentaire. Ces instruments créent les conditions optimales pour la chambre du réacteur, où les gaz sont transformés en plasma.

Le régulateur de débit gazeux situé plus bas sert de gaz de purge (généralement de l’azote), utilisé pour évacuer les éventuels gaz indésirables de la chambre du réacteur, avant et après le process. Un régulateur de pression électronique évacue les gaz excédentaires de la chambre du réacteur, tout en maintenant une pression stable tout au long du process.

 

Montage d’un évaporateur avec un régulateur de débit liquide et des régulateurs de débit gazeux
Montage d’un évaporateur avec un régulateur de débit liquide et des régulateurs de débit gazeux

Vous souhaitez en savoir plus sur les régulateurs de débit pour plasma ?

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