Brevet FR2176701A1 — publié le 19731102

La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de faire fondre par zones et sans creuset des corps fusibles en forme de barres. On connaît des procédés de fusion par zones sans creuset dans lesquels la matière en forme de barre est maintenue verticalement, fixée à ses deux extrémités, les fixations étant mobiles dans le sens axial et pouvant tourner autour de leur propre axe. Sous l'effet du courant circulant dans une bobine d'induction, il se forme une zone de fusion sur une longueur restreinte de la barre. En déplaçant l'une par rapport à l'autre la bobine d'induction et la barre, la zone de fusion parcourt toute la barre dans le sens axial. Cette méthode dite à zone fondue sert en général aussi bien à la purification qu'd la formation de monocristaux. On connaît des procédés de fusion par zones dans lesquels des générateurs à haute frécuence et à deux circuits ou à plusieurs circuits trevaillent à une fréquence telle que le circuit oscillant de travail contenant la bobine d'induction de chauffage a son point de travail sur le flanc inductif ou capacitif. lies variations du courant anodique des tubes oscillateurs ou les variations de tension haute fréquence du circuit de chauffage qui se produisent obligatoirement du fait des variations d'épaisseur de la barre sont utilisées pour le réglage de compensation des variations d'épaisseur grâce au fait que des dispositifs appropriés déplacent les fixations de la barre en les rapprochant ou en les éloignant l'une de l'autre. Avec ce procédé, les variations de résistance dans le circuit oscillant de travail sont la source d'informations erronées et font croire à une variation inexistante de l'épaisseur de la barre. De plus, l'adaptation du dispositif aux cas de charge les plus divers entraînent des dépenses d'expérimentation élevées avec les générateurs à deux et à plusieurs circuits. Par contre, l'idée de base de la présente invention est de créer un procédé et un dispositif mis en oeuvre avec l'étirage par zones sans creuset assurant l'adaptation universelle de la source d'énergie haute fréquence aux conditions de charge les plus diverses et permettant en meme temps d'obtenir une information sur l'épaisseur de barre réalisée qu'aucune influence perturbatrice ne peut dénaturer, de traiter cette information et de procéder au réglage en fonction d'une valeur de consigne choisie, la condition préalable nécessaire étant de doser avec la plus grande précision I'énerie introduite dans la zone de fusion. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le courant inducteur passant dans la bobine haute fréquence est réglé de façon constante sur une valeur de consigne réglable et en ce que, en mesurant la fréquence et en la comparant à une valeur de consigne réglable, on commande un dispositif adapté à rapprocher et à éloigner l'une de l'autre les fixations de la barre de matière fusible et, tar conséquent, à modifier le diamètre de la zone de fusion jusqu'à ce que la fréquence ait repris la valeur souhaitée. La zone de fusion très courte produite de façon connue par la bobine haute fréquence entourant la barre et la variation de fréquence provoquée par la modification de l'épaisseur de barre qui se produit sont utilisées pour commander le dispositif qui règle l'écartement des fixations de la barre. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence au dessin annexé. La fig. 1 représente schématiquement le dispositif selon l'invention. La fi. 2 est le schéma-bloc du montage de principe selon l'invention. On a représenté en îc le corps e faire fondre qui est fixé en position verticale par les deux fixations Id et le et qui est entouré par l'inducteur la. Au moyen de la crémail lere If et du pignon 1g et sous l'action du servomoteur lb, les deux fixations Id, le peuvent se rapprocher et s'éloigner l'une de l'autre de sorte que la zone à l'état de fusion qui se forme dans le voisinage immédiat de la bobine haute fréquence la est étirée ou écrasée. La barre lc, les fixations ld, le et la bobine haute fréquence se trouvent dans un récipient 1.Par suite du déplacement relatif entre barre lc et bobine haute fréquence 1 a,la zone de fusion se déplace tout le long de la barre Ic. Le conducteur coaxial 13 refroidi par eau relie la bobine haute fréquence la aux autres parties constitutives du circuit de travail, telles que la bobine d'avanceent 14 et le condensateur 15. La boite de blindage 8 qui contient les dits éléments est bridée au récipient 1 de sorte que les parcours de jonction avec la bobine haute fréquence la sont les plus courts. L'ampRemètre haute fréquence 2 constitue une partie intégrante du conducteur coaxial 13 de sorte que le courant inducteur réel est mesuré sans dénaturation. En même temps est recueillie à l'ampéremètre 2 l'information concernant la fréquence du courant inducteur. L'énergie HF fournie par un générateur 16 est amenée par le câble coaxial mobile 12 au circuit le travail. Le générateur 16 est constitué par le redresseur commandable 5, l'organe de filtrage 6 et l'oscillateur 7 représentés à la fig. 2. La fig. 2 montre le travail de deux circuits de ré gl a- ge ; un circuit de réglage a pour rôle de maintenir constant le courant inducteur réglable par l'intermédiaire du transmetteur de valeur de consigne 3 et un deuxième circuit de réglage a pour rôle de maintenir constant le diamètre de la barre en formation réglable par l'intermédiaire du transmetteur de valeur de consigne 10. Chaque variation de charge, chaque modification des éléments de puissance ainsi que les variations du secteur sont compensées par réglage au moyen d'un régulateur 4 de haute oua- lité de sorte que le courant inducteur correspond à la valeur de consigne réglée. te régulateur 4 transmet ses ordres de commande au redresseur 5 qui se compose soit de thyratrons haute tension soit de thyristors basse tension avec des redresseurs à semi-conducteurs haute tension du côté secondaire. L'organe de filtrage 6 est dinensionné de telle sorte qu'en chaque point de travail du redresseur 5 est assurée une ondulation de la tension anodique inférieure à 1 %, ce cue aes-essais pratiques ont sont tré comme étant la condition de formation de bons monocristaux. Ïcr obtenir une information sans défaut sur l'épaisseur de la barre, l'oscillateur 7 ne comporte qu'un seul circuit c'est-àdire que les éléments du circuit de travail y compris la bobine HF 1a avec la barre îc couplée électriquement déterminent la fréquence de travail. Grâce à ce Principe de travail est obtenue l'auto-aaaptation aux variations de charge. Toute modification de la distance de couplage entre la bobine haute fréquence 1a et la zone à l'état de fusion de la barre 1c, par conséquent aussi une modification du diamètre de la barre provoque par suite de la variation de l'inductance de couplage entre la bobine haute fréquence la et la barre lc une variation de fréquence du courant inducteur. La fréquence du courant inducteur est mesurée numé riquemenz avec le fréquencemètre 9 à indication digitale, est comparée avec la valeur de consigne du transmetteur de valeur de consigne 10 à réglage digital et est ensuite transmisse au servo-moteur lb par un convertisseur digital-analogique en même temps que la valeur analogique est amplifiée. lie servo-moteur 1b est monté de telle sorte que, lorsque la fréquence diminue, il y a écrasement de la zone fondue de la barre et, lorsque la fréquence augmente la barre est étirée jusqu'à ce que la valeur réelle de la fréquence corresponde à la valeur de consigne. R E V E N Dl C T i O N S 1 - Procédé pour la fusion par zones sans creuset de corps fusibles en fore de barres suivant lequel une barre en matière fusible dressée verticalement, fixée a ses extrémités, est parcourue dans le sens axial par une zone de fusion qui est obtenue à l'aide d'une bobine haute fréquence entourant la barre semi-conductrice, alimentée par un générateur haute fréquence, caractérisé en ce gue le courant inducteur à haute fréquence circulant dans la bobine haute fréquence la est réglé de façon constante à une valeur de consigne réglable et en ce que, en mesurant la fréquence et en la courant à une valeur de consigne réglable, on commande un dispositif de telle façon que les fixations 1d, le de la barre le sont rapprochées ou éloignes l'une de l'autre et qu'ainsi le diamètre de la zone de fusion varie jusqu'à ce que la fréquence ait repris la valeur souhaitée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque l'épaisseur de la barre varie, la zone de fusion très courte produite par la bobine haute fréquence la entourant la barre semi-conductrice le provoque une variation de fréquence qui est utilisée pour commander le dispositif réglant la distance entre les fixations 1d, le de la barre. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fréquence du courant inducteur est mesurée par mesure digitale et est comparée à la valeur de consigne de fréquence réglée également de façon digitale et en ce que la différence entre la valeur de consigne et la valeur réelle est transmise par lfintermédiaire d'un convertisseur digitalanalogique Il à un servo-moteur lb qui, lorsque la fréquence du courant inducteur s'abaisse en dessous de la valeur de consigne, rapproche l'une de l'autre les fixations ld, le de la barre semiconductrice Ic et, lorsque la fréquence du courant inducteur dépasse la valeur de consigne, écarte ces fixations l'une de l'autre, jusqu à ce eue le courant inducteur ait repris la valeur voulue et le diamètre de la barre ait lui aussi repris la valeur voulue. 4 - Dispositif pour la rise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bobine haute fréquence la avec le corps fusible en forme de barre Ic couplé électriquement sont des parties constitutives du circuit oscillant de travail et sont reliés par un court câble coaxial 15 refroidi par eau aux autres éléments du circuit oscillant, condensateurs 15 et bobine série 14 disposées dans le voisinage immédiat à l'intérieur d'un récipient particulier 8, l'énergie haute fréquence étant amenée au circuit, oscillant au moyen d'un câble coaxial 12 relié au générateur 16. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, en tant qu'élément constitutif direct du conducteur coaxial 13, il est prévu pour la mesure du courant inducteur un ampéremètre haute fréquence 2 intercalé entre la bobine haute fréquence la et les autres éléments 14, 15 du circuit oscillant à laquelle fait suite un régulateur 4 qui, après amplification, transmet la différence entre valeur de consigne et valeur réelle à des organes de commande associés et maintient constant le courant inducteur en faisant varier la tension anodique des tubes oscillateurs. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise comme organes de commande des thyratrons à commande à retard de phase ou des thyristors sur le côté basse tension avec des redresseurs à semi-conducteurs haute tension sur le côté haute tension, qui sont suivis d'un organe de filtrage 6 dimensionné de telle sorte ou %.