CHAPITRE 5 : ETUDE DU DEPOT DE SILICIUM SUR POUDRE DENSE PAR CVD EN LIT FLUIDISE
5.4. E TUDE DU L ’ INFLUENCE DU DIAMETRE DU REACTEUR ET DE LA VITESSE DE GAZ SUR LE PROCEDE DE DEPOT
Le tableau 22 détaille les conditions opératoires et les résultats des examens par MEB des essais effectués à 645°C et pour lesquels la fraction volumique de silane a été fixée à 0,5%, dans des colonnes de 3,8 et 3,0 cm de diamètre et pour des vitesses de gaz variant de 4,7 à 6 Umf. Un rapport H0/D de 3 a été imposé, impliquant des masses initiales de poudre W de 1500 et 740 g, dans les colonnes de 3,8 et 3,0 cm de diamètre respectivement.
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Tableau 22 : Conditions opératoires et résultats issus des analyses MEB (645°C, ysilane = 0,5%,).
Essai Diamètre de réacteur Ø (cm) Durée du dépôt (min) Rapport de fluidisation (Ug/Umf) Masse de poudre W initiale (m0) (g) Epaisseur moyenne mesurée au MEB (m) Vitesse moyenne de dépôt à partir de l’épaisseur MEB (g/min) Vitesse moyenne de dépôt à partir de l’épaisseur MEB (nm/min) W14 3,8 120 4,7 1500 0,17 0,02 1,4 W15 3,0 180 4,7 740 0,36 0,02 2,0 W16 3,0 180 6 740 0,38 0,02 2,1 W17 3,8 180 6 1500 0,30 0,03 1,7
La pesée du lit après dépôt n’a pas permis d’obtenir de résultat fiable, étant donné que les masses de silicium théoriques étaient plus faibles que précédemment, de l’ordre de 2 g pour les essais W14 à W16 et de 4 g pour W17, du fait de la faible fraction molaire d’entrée en silane et malgré l’augmentation de la durée de dépôt pour les essais W15 à W17.
La figure 72 montre l’évolution des gradients thermiques au sein du lit pour ces expériences.
Une augmentation de la vitesse du gaz fluidisant permet un meilleur brassage des particules et par conséquent de meilleurs transferts thermiques et de matière. Cependant, cette augmentation de vitesse réduit le temps de séjour du gaz dans le lit et pourrait conduire à la formation de davantage de bulles ou à des bulles plus grosses, ce qui pourrait générer une baisse du taux de conversion du silane et la formation d’une quantité accrue de fines.
Figure 72 : Evolution du gradient thermique au sein du lit fluidisé pour des diamètres de réacteur et des vitesses
de gaz différents (ysilane = 0,5%, 645°C).
Sur les courbes, il apparait qu’en augmentant la vitesse du gaz fluidisant de 4,7 à 6 Umf, en particulier pour le diamètre de 3 cm, le gradient thermique peut être réduit de quelques degrés durant le dépôt, probablement car le contact particules-parois chauffées du réacteur est meilleur. En raisonnant par extrapolation approximative, si l’on souhaite réduire de 10°C le gradient, l’augmentation de la vitesse
134 du gaz devrait être environ deux fois plus importante (soit environ 9 Umf) pour avoir un réel impact sur la thermique du lit fluidisé. Ceci ne parait cependant pas raisonnable, étant donné le coût des gaz et l’impact possible sur la conversion du silane et la formation de fines.
Une réduction du diamètre de réacteur de 3,8 à 3,0 cm (quelle que soit la vitesse de gaz fluidisant) engendre une augmentation du gradient thermique d’environ 10°C durant les dépôts. Cela signifie donc qu’il y a un risque de prise en masse plus élevé dans le réacteur de 3 cm de diamètre. Ce résultat confirme les conclusions réalisées au chapitre 4, montrant l’augmentation des effets de bord pour les petits diamètres de colonne, avec des phénomènes de friction particules/parois qui diminuent le contact gaz/poudre dans le lit.
La pression différentielle est restée stable pour tous ces essais, grâce à la faible fraction molaire de silane (0,5%) utilisée. Une très faible quantité de fines a été observée pour les essais W15 et W16 dans le réacteur de 3 cm de diamètre, tandis qu’elles semblaient être absentes pour les essais W14 et W17 réalisés dans le réacteur de 3,8 cm de diamètre. Ce résultat confirme que le contact gaz-poudre est de moindre qualité dans le réacteur de 3 cm en comparaison avec celui de 3,8 cm.
Concernant les caractéristiques des dépôts, il ne semble pas que la vitesse de gaz fluidisant et/ou le diamètre du réacteur influent sur la morphologie, l’agencement ou l’épaisseur du dépôt. L’influence, si elle existait, serait d’ailleurs plutôt indirecte : une diminution de la taille du réacteur pourrait exalter les effets de bord et donc éventuellement générer des dépôts non uniformes sur le lot de poudre et/ou sur chaque particule. Mais les analyses au MEB fournissent des résultats proches de ceux observés pour l’essai W14 à 0,5% de silane et ne montrent aucune influence : le dépôt est uniforme sur toutes les particules de tungstène et assez lisse.
Les vitesses de dépôt déduites des épaisseurs moyennes mesurées par MEB (cf. Tableau 22) indiquent que dans le réacteur de 3,8 cm, la vitesse de dépôt augmente avec le rapport de fluidisation. Il est donc probable que le contact gaz-poudre soit amélioré par une augmentation du rapport de fluidisation, sans accroitre le by-pass du gaz dans les bulles. Cette tendance est moins nette dans le réacteur de 3 cm, probablement à cause des effets de bord.
Pour les deux essais effectués à 4,7 Umf, le diamètre de réacteur n’influe pas sur la vitesse de dépôt. Par contre à 6 Umf, la vitesse de dépôt est 1,5 fois plus élevée dans le réacteur de 3,8 cm que dans celui de 3 cm. L’effet bénéfique d’une augmentation de la vitesse de fluidisation dans le réacteur de 3,8 cm est donc confirmé.
Ces vitesses sont logiquement proches de celles de l’essai W14 avec 0,5% de silane. Le taux de conversion en silane n’a à nouveau pas pu être calculé à partir de ces mesures. Les épaisseurs déposées sont inférieures à la cible que nous nous étions fixée pour l’étude expérimentale, soit 1 m. Si l’on considère l’essai W16, le temps de dépôt devrait être augmenté jusqu’à environ 8 h pour atteindre l’épaisseur cible.
Les résultats des analyses par granulométrie laser indiquent l’absence d’agglomération. Des examens au MEB et EDX et les courbes granulométriques sont données en annexe F.
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