Présentation du système thermique rapide AS-One 

Le système thermique rapide étudié est du type AS-One 150. Il est commercialisé par l’entreprise AnnealSys qui est une PME basée à Montpellier. Les caractéristiques de ce système sont disponibles sur le site www.annealsys.com. Parmi celles-ci, on peut retenir que la température du substrat peut aller jusqu’à 1250°C. La montée en température peut se faire très rapidement (200°C/s au maximum). La température du substrat est contrôlée avec une mesure pyrométrique et un thermocouple reliés à un régulateur PID (Proportionnel Intégral Dérivée). Un contrôle à ± 1°C de la température du substrat est assuré. Il y a un système informatique de pilotage avec cent étapes possibles pour un procédé. D’autres informations concernant la machine sont données dans l’Annexe 1. La photo de la Figure II-1 montre le système AS-One 150. Il comprend un four et un réacteur. 

Le four

Il est constitué d’un banc de dix-huit lampes infrarouges à halogène, toutes alimentées avec la même puissance électrique. Les caractéristiques complètes d’une lampe sont données dans l’Annexe 2.  Chacune des lampes est constituée par un filament de tungstène situé au centre d’une ampoule en quartz (Figure II-2). Pour limiter l’évaporation du tungstène, l’ampoule est remplie par de l’azote sous pression (de l’ordre de 400 000 Pa soit 4 bars) avec un halogénure à base d’iode. C’est ainsi que la durée de vie des lampes est allongée. Figure II-2. Photo d’une lampe infrarouge à halogène du four et schéma de sa base. Lorsque les lampes sont alimentées, le rayonnement émis se situe essentiellement dans l’infrarouge avec des longueurs d’onde allant de 0,3 à 4 µm centrées aux alentours de 1 µm. Un système de ventilation d’air montré Figure II-3 permet de refroidir les culots des lampes qui chauffent énormément. Ainsi, les culots sont à des températures inférieures à 350°C conseillées par le constructeur (Figure II-2). Figure II-3. Le four abaissé avec le système de ventilation d’air pour refroidir les culots des lampes. filament en tungstène base ampoule en quartz anneau de soutien .

Le réacteur

La photo de la Figure II-4 montre le réacteur en position relevée. Sur sa partie supérieure, un hublot en quartz assure l’étanchéité du réacteur tout en laissant passer le rayonnement infrarouge des lampes. Le réacteur est de forme cylindrique avec des parois en inox. Un substrat de 150 mm de diamètre (soit 6 pouces) y repose sur trois picots de quartz. Trois autres picots de quartz permettent de le maintenir dans une position stable. Une circulation d’eau maintient les parois à la température relativement basse de l’ordre de 300 K. Les gaz peuvent être introduits à l’aide de quatre injecteurs de diamètre 0,5 mm. Leur extraction est possible par une ouverture qui s’étend sur 105° sur le côté opposé aux injecteurs. Un système de pompage des gaz permet d’assurer la basse pression. Un panneau de gaz gère l’arrivée et la sortie des gaz. Figure II-4. Le réacteur en position relevée. 

Modélisation par simulation numérique

L’introduction de l’informatique pour simuler les procédés thermiques rapides permet de réduire les coûts et les temps de recherche des machines (Rauf et al. 2005). Pendant de nombreuses années, l’intuition et l’expérience ont été les seuls outils. La simulation numérique est très souvent réalisée par la technique CFD (Computational Fluid Dynamics). Cette technique permet la résolution des équations aux dérivées partielles régissant les bilans énergétiques (masse, chaleur etc.). Le logiciel utilisé, CFD’ACE, est développé par l’entreprise CFDRC (Computational Fluid Dynamics Research Corporation : www.cfdrc.com) et commercialisé par ESI Group (www.esi-group.com). 

Présentation générale de la méthode CFD (Computational Fluid Dynamics)

La CFD désigne une technique générale d’analyse de systèmes impliquant des transferts de masse et de chaleur aux moyens de simulations informatiques. Elle permet aussi d’étudier les phénomènes qui leur sont associés comme les réactions chimiques, les changements de phase et les déformations. Elle est présentée en détails dans l’ouvrage An introduction to Computational Fluid Dynamics (Versteeg et Malalasekera 1995). La résolution d’un problème de CFD nécessite trois éléments :  un pré-processeur qui permet de rentrer la géométrie et les données utiles à la résolution du problème.  un solveur qui résout les équations du problème suivant des techniques numériques en tenant compte des données du pré-processeur. La méthode des éléments finis et celle des différences finies sont les plus utilisées. Mais compte tenu de l’évolution des ordinateurs, la méthode des volumes finis se développe plus vite. Pour une présentation détaillée de ces méthodes, le lecteur pourra également se reporter à l’ouvrage An introduction to Computational Fluid Dynamics (Versteeg et Malalasekera 1995).  un post-processeur qui sert à visualiser les résultats.