Brevet FR2035990A1 — publié le 19701224

I 2035990 La demande de brevet allemand mise à l'Inspection publique sous le numéro 1 076 623 a fait connaître un dispositif pour réaliser la fusion en zone flottante d'une substance semi-conductrice en forme de tige. 5 Ce dispositif comporte une enceinte à vide poussé dans laquelle une zone de fusion, obtenue à l'aide d'une bobine de . chauffage par induction se déplace à travers la tige de substance semi-conductrice. La bobine de chauffage par inôuction est reliée à une amenée de courant alternatif à haute fréquence, qui 10 est disposé de façon à pouvoir se déplacer dans une traversée étanche au gaz menagée dans la paroi de l'enceinte. L'amenée de courant est constitué par trois tubes conducteurs coaxiaux emboîtés les uns dans les autres. Les deux tubes conducteurs extérieurs sont reliés ensemble électrique-15 ment aux deux extrémités de l'amenée du courant» tandis qu'une couche intercalaire en polytétrafluoréthylène en forme de bande, noyée dans de la paraffine, est située dans l'espace intermédiaire compris entre le tube conducteur intérieur de plus petit diamètre et le tube conducteur intermédiaire de diamètre supérieur, mais 20 inférieur au diamètre du tube extérieur. Le tube conducteur intérieur de plus petit diamètre ainsi que le tube conducteur intermédiaire de diamètre intermédiaire sont constitués par du cuivre, qui est bon conducteur d'électricité, tandis que le tube conducteur extérieur de plus grand diamètre est constitué avec 25 un acier moins bon conducteur d'électricitéi Ce tube d'acier entoure un canal pour un fluide réfrigérant, qui refroidit le tube conducteur intermédiaire en cuivre. De plus, la surface, extérieure de ce tube d'acier représente une surface glissante extrêmement lisse qui est très peu sujette à des détériorations 30 de sorte que le joint d'étanchéité travaille parfaitement dans la traversée et qu'aucun gaz provenant de l'atmosphère ne peut pénétrer dans l'enceinte evacuée. La présente invention permet d'améliorer le dispositif connu pour réaliser la fusion en zone flottante d'une tige cris-35 talline, en diminuant la puissance dissipée dans l'amenée de courant pour la bobine de chauffage par induction. On peut ainsi même à l'aide d'une bobine monospire de chauffage par induction, ayant une faible résistance ohmique et inductive, transmettre une puissance de chauffage élevée à la zone de fusion de la tige 40 cristalline. 70 11219 2 2035990 L'invention concerne un dispositif pour réaliser la fusion en zone flottante d'une tige cristalline, comportant une enceinte dans laquelle est disposée une bobine de chauffage par induction pour chauffer la zone de fusion et une amenée de 5 courant pour la bobine de chauffage par induction, placée dans une traversée de la paroi de l'enceinte, du type à plusieurs tubes conducteurs montés les uns dans les autres avec un certain écarte-ment radiai, caractérisé par le fait que les tubes étant numérotés suivant des diamètres croissants ou décroissants, tous les 10 tubes conducteurs de numéros impairs d'une part et tous les tubes conducteurs de numéros pairs d'autre part sont reliés électriquement aux deux extrémités de l'amenée de courant. Il est avantageux dé munir les tubes conducteurs d'un canal pour un fluide réfrigérant. Il est en outre avantageux que 15 l'espace intermédiaire entre les tubes conducteurs soit rempli avec une matière isolante qui possède une dureté Shore comprise entre 10 et 100 et un taux de dilatation d'au moins 20 et qu'une liaison adhérente étanche aux gaz existe entre la matière isolante et la surface des éléments de conducteurs. 20 A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé plusieurs formes de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 montre schématiquement une amenée de courant dans un dispositif pour réaliser une fusion en zone flottante, 25 conforme à l'invention. La figure 2 montre le circuit électrique équivalent de l'amenée de courant de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective d'une amenée de courant pour un dispositif conforme à l'invention. 30 La figure 4 est une coupe d'une autre forme de réalisa tion d'une amenée de courant. La figure 1 représente schématiquement une amenée de courant 1, qui est constituée par cinq tubes conducteurs' coaxiaux, montés les uns à l'intérieur des autres avec un certain écartement 35 radial. L'amenée de courant 1 peut être déplacée axialement dans un passage de la paroi B de l'enceinte, à l'intérieur dë laquelle se trouve une bobine de chauffage par induction non représentée et où se déroule le processus de fusion de zone. Le passage est rendu étanche par une bague d'étanchéité annulaire C. 40 " Sur la figure 1, la suite des chiffres arabes 1 a 5' 70 11219 3 2035990 désigne la numérotation des tubes conducteurs par diamètres croissants, et la suite des chiffres romains I à V désigne la numérotation des tubes conducteurs par diamètres décroissants. Les tubes conducteurs repérés par des chiffres impairs, 5 donc les tubes I, 3 et 5 ou I, IIIet V sont reliés ensemble électriquement aux deux extrémités de l'amenée"de courant A par des conducteurs électriques D, E et F, G, et les tubes repérés par des chiffres pairs 2 et 4 ou II et IV sont reliés ensemble électriquement par les conducteurs électriques H et K. j.0 La figure 2 représente un circuit électrique équivalent de l'amenée de courant A de le figure 1. La résistance ohmique Rg3 (comptage en chiffres arabes) et l'inductance L23 désignent respectivement la résistance ohmique et 1*inductance du conducteur coaxial formé par les tubes conducteurs 2 et 3 (numérotation 15 en chiffres arabes). Il en va de même pour les résistances ohmiques R^, R34 et R45 et pour les inductances L^2» L34 ^45* Dans le circuit électrique équivalent de la figure 2, on n'a pas considéré les capacités de l'amenée de courant A de la figure 1, étant donné que ces capacités sont petites dans des dispositifs 20 pour réaliser une fusion en zone flottante par rapport a la capacité du condensateur du circuit de chauffage qui contient la bobine de chauffage par induction destinée à chauffer la zone de fusion. Comme le circuit équivalent de la figure 2 le montre, 25 les conducteurs coaxiaux formés par les différents couples de tubes conducteurs voisins, sont connectés parallèlement entre eux. C'est pourquoi la chute de tension aux bornes de l'amenée de courant A, comportant plusieurs tubes conducteurs disposés les uns à l'intérieur des autres et raccordés conformément à 30 la figure I, est également inférieure à la chute de tension aux bornes d'une amenée de courant comportant seulement deux tubes conducteurs disposés l'un dans l'autre. C'est pourquoi également la puissance dissipée dans l'amenée de courant A, comportant plusieurs tubes conducteurs disposés les uns dans 35 les autres, est inférieure à la puissance dissipée dans une amenée de courant comportant seulement deux tubes conducteurs disposés l'un dans l'autre. On peut donc avec l'amenée de courant A de la figure 1, fournir une énergie suffisante à une bobine monospire de chauffage par induction pour chauffer la zone de 40 fusion d'une tige cristalline. L'amenée de courant A peut même 70 11219 4 2035990 avoir une longueur importante, par exemple 1600 mm, sans que la puissance dissipée devienne importante. La forme de réalisation, représentée sur la figure 3, d'une amenée de courant pour un dispositif pour réaliser une fusion en 5 zone flottante, conforme à l'invention, est constituée par trois tubes en cuivre 1, 2 et 3, coaxiaux et disposés les uns à l'intérieur des autres. Cette amenée de courant est placée dans un passage non représenté de la paroi de l'enceinte dudit dispositif. Les tubes conducteurs sont numérotés suivant leurs diamètres 10 croissants. A 1'extrémité supérieure de l'amenée de courant, des languettes métalliques 9 à II conduisant le courant électrique, par exemple en cuivre, sont montées sur les tubes conducteurs 1 à 3 tandis qu'à l'extrémité inférieure qui se trouve à 15 l'extérieur de l'enceinte du dispositif pour réaliser la fusion en zone flottante, des brides 34 à 36 en métal électriquement conducteur (par exemple de l'argent) sont raccordées sur les différents tubes conducteurs 1 à 3. Une bobine de chauffage par induction 13, par exemple monospire, est reliée électriquement 20 aux languettes 10 et 11. Les tubes conducteurs 1 et 3 et les languettes 9 et 11 sont reliés par leurs bords à l'aide d'une enveloppe d'argent 12, pour avoir une inductance de fuite faible. A l'extrémité inférieure de l'amenée de courant, qui est connectée à un générateur à haute fréquence non représenté, les 25 brides 34 et 36 et donc les tubes conducteurs 1 et 3 sont réunis ensemble électriquement par trois barrettes 37, situées dans des positions faisant entre elles des angles respectifs de 120° autour de l'axe du tube, tout en étant isolés de la bride 35 montée sur le tube conducteur 2. La disposition des barrettes 35 30 permet une répartition égale du flux de courant entre les tubes conducteurs. Parallèlement aux brides 35 et 36 et donc parallèlement au tube conducteur 2 et aux tubes conducteurs 1 et 3 sont montés trois condensateurs 38» qui servent de condensateurs variables dans le circuit de chauffage comportant la bobine de 35" chauffage par induction 13 et raccordés par exemple par vissage avec les brides 35 et 36. On pourrait également prévoir quatre barrettes 37 et condensateurs 38, ou plus, dont les points de raccordement sur les brides 34 et 36 ou 35 et 36 seraient respectivement à une même distance angulaire. Un générateur à 40 haute fréquence non représenté est en outre connecté aux brides 70 11219 5 2035990 35 et 36. Les espaces intermédiaires entre les tubes conducteurs i, 2 et 3 peuvent contenir un gaz ou être évacués» Il est cependant avantageux de les remplir avec une matière isolante. Notamment 5 lorsque 1'enceinte du dispositif pour réaliser la fusion en zone flottante» dans laquelle est située 1*extrémité supérieure de l'amenée de courant comportant la bobine de chauffage par induction 13, est évacuée ou remplie de gaz de protestions il est avantageux que les espaces intermédiaires entre les tubes 10 conducteurs 1 à 3 soient remplis par une matière isolante possédant une dureté Shore compris entre 10 et 100 et un taux de dilatation d'au moins 20 et qu'une liaison adhérente5 étanche aux gaz existe entre la matière isolante et la surface des tubes conducteurs. On est assuré de cette façon qu'il ne peut se pro-15 duire aucune fissure aux points de jonction de la matière isolante et des parois des tubes conducteurs i à 3 par suite de variations de température, qui alternait le vide à l'intérieur de l'enceinte du dispositif pour réaliser la fusion en zone flottante. Une matière isolante convenable est un caoutchouc aux 20 silicones vulcanisé à froid, par exemple le caoutchouc aux silicones de la firme Wacker connu dans le commerce sous l'appellation "Sil-Gel" et "Mastic K". Il est avantageux que les parois des tubes conducteurs i à 3 comportent un revêtement en une résine aux silicones, par exemple la résine aux silicones de la firme 25 Wacker, connue dans le commerce sous le nom de "G 718". Le caoutchouc aux silicones forme avec le revêtement de résine aux silicones une liaison adhérente, étanche aux gaz et durable. Le caoutchouc aux silicones a en outre l'avantage d'avoir un facteur de pertes diélectriques inférieur à 10 et une résistance au 30 claquage comprise entre 30 et 40 kV/mm. Cela permet d'utiliser la bobine de chauffage par induction 13 avec des tensions relativement élevées de sorte qu'une puissance relativement élevée est transmise à la zone de fusion de la tige cristalline. La figure 4 montre une forme de réalisation de l'amenée 35 de courant pour un dispositif pour réaliser une fusion en "zone flottante, conforme à l'invention, qui comporte trois tubes conducteurs coaxiaux 401 à 403 en cuivre, montés les uns dans les autres, dont les parois sont munies respectivement d'une chemise pour un fluide réfrigérant. L'amenée de courant comporte une 40 enveloppe d'acier 404. 70 11219 6 2035990 Les tubes conducteurs 402 et 403 possèdent respectivement une double paroi, constituée par deux éléments de paroi, entre lesquelles circule un fluide réfrigéreats d® l'eau par exemple, entrant par la tubulure 405 et sortant par la tubulure 406. Dans 5 le tube conducteur 401, qui possède le plus petit diamètre des trois tubes conducteurs 401 a 403, se trouve un autre tube 409» ayant un diamètre encore plus petit, dont l'extrémité située dans le tube 401 est ouverte et dont l'autre extrémité présente une autre tubulure 410 pour l'admission d'an fluide réfrigérant, par 10 exemple de l'eau® Le fluide réfrigérants amené par la tubulure 410, coule dans l'espace intermédiaire entre le tube conducteur 401 et le tube 409 en retournant à une tubulure d'évacuation 408, par laquelle il quitte l'amenée de courant. Les espaces intermédiaires entre les tubes conducteurs 15 401, 402 et 403 ainsi que 1*espace intermédiaire entre le tube 403 et l'enveloppe d'acier 404 sont remplis respectivement par un caoutchouc aux silicones, vulcanisé à froid, 410 et 411. La surface extérieure du tube conducteur 4019 les surfaces extérieures et intérieures des tubes conducteurs 402 et 403 ainsi que la sur-20 face intérieure de l'enveloppe d'acier 404 comportent un revêtement de résine aux silicones, non représenté. A l'extrémité supérieure de l'amenée de courant se trouvent des éléments métalliques de raccordement 412 et 413, qui sont reliés de façon électriquement conductrice à une bobine de chauffage 25 par inductionnon représentée. L'élément de raccordement 412 est soudé sur le tube conducteur 401, à l'emplacement 416, et est relié de façon électriquement conductrice au tube conducteur 403 par une soudure 422 et par un disque annulaire métallique 417, qui est soudé sur le tube conducteur 403 et sur l'élément de 30 raccordement 412. L'élément de raccordement 412 comporte une tubulure 415, dans laquelle débouche le canal pour le fluide réfrigérant, formé par la double paroi du tube conducteur 403. L'élément de raccordement 413 comporte également un canal pour le fluide réfrigérant 414, dans lequel débouche le canal pour un 35 fluide réfrigérant formé par la double paroi du tube conducteur 402. Une bobine de chauffage par induction, non représentée, est reliée de façon électriquement conductrice aux éléments de raccordement 412 et 413 de sorte que les canaux 414 et 416 débouchent dans le canal pour le fluide réfrigérant de la bobine 40 de chauffage par induction. De ce fait, le fluide réfrigérant qui 70 11219 7 2035990 entre dans l'amenée de courant par une des tubulures 405» traverse le canal pour le fluide réfrigérant de la bobine de chauffage par induction et quitte enfin à nouveau l'amenée de courant par l'autre tubulure 406. 5 Des bagues métalliques de raccordement 419 à 421 sont prévues à l'extrémité inférieure des tubes conducteurs 401 a 403 pour des conducteurs électriques non représentést qui relient ces bagues de raccordement et donc les tubes conducteurs aux bornes de condensateurs non représentés du circuit de chauffage 10 et d'un générateur à haute fréquence non représenté. Les bagues de raccordement 419 et 421 sont reliées ensemble par un conducteur électrique 423. 70 11219 8 2035990 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour réaliser la fusion en zone flottante d'une tige cristalline comportant une enceinte dans laquelle est disposée une bobine de chauffage par induction pour chauffer la 5 zone de fusion, et comportant une amenée de courant pour la bobine de chauffage par induction, placée dans un passage de la paroi de l'enceinte du type constitué par plusieurs tubes conducteurs montés les uns dans les autres avec un certain écartement radial, caractérisé par le fait que les tubes étant numérotés suivant 10 des diamètres croissants ou décroissants, tous les tubes conducteurs de numéros impairs d'une part et tous les tubes conducteurs de numéros pairs d'autre part sont reliés électriquement aux deux extrémités de l'amenée de courant. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par 15 le fait que les tubes conducteurs sont munis d'un canal pour un fluide réfrigérant. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'espace intermédiaire entre les tubes conducteurs est rempli par une matière isolante qui possède une dureté Shore 20 comprise entre 10 et 100 et un taux de dilatation d'au moins 20% et qu'une liaison adhérente étanche aux gaz existe entre la matière isolante et la surface des tubes conducteurs. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que l'espace intermédiaire entre les tubes conducteurs 25 est rempli avec un caoutchouc aux silicones et que la surface des tubes conducteurs comporte, dans cet espace intermédiaire, un revêtement en une résine aux silicones.