Brevet FR2251368A1 — publié le 19750613

La présente invention concerne un procédé de fabrication dgun monocristal à partir d'un barreau polycristallin, par déplacement le long dudit barreau d'une zone solvante fondue appliquée sous forme de pastille, entre le barreau polycristallin et un herme monocristallin, ladite pastille étant chauffée par un ruban métallique soumis à l'action dfun courant amené par deux électrodes fixées aux extrémités dudit ruban La présente invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé. La présente invention concerne enfin les monocristaux réalisés par application au procédé. Suivant un procédé connu de croissance en solution, notamment; décrit dans le brevet français n0 2 138 232 on applique un barreau de matériau polycristallin contre au moins une pastille dgun solvant au contact avec un germe monocristallin et on assure alors un gradient de température suivant l'axe du barreau au niveau de ladite pastille de manière à constituer une zone solvante avec interfaces planes perpendiculairement à l'axe du barreau. On procède ensuite au déplacement de ladite zone le long du barreau à partir du germe.Le gradient de température est obtenu par chauffage d'un ruban métallique par effet Joule, au centre duquel est percée une pluralité de trous à ltintérieur d'un cercle d'un diamètre de même ordre de grandeur que celui du barreau et disposé dans la zone solvante perpendiculairement à laxe du barreau et sensiblement à mi-hauteur de ladite zone. Cette pluralité de trous permet le transport de matériau du barreau polycristallin au germe monocristallin. Un tel dispositif de chauffage en forme de ruban, mais percé en son centre, non plus d'une pluralité de trous, mais d'un seul trou de diamètre sensiblement plus petit que celui du barreau polycristallin est également connu et décrit dans le brevet français nO l 412 210. Le procédé,bien qutintéressant, présente, dans le cas de la fabrication de monocristaux de grande taille (diamètre > 10 mmX un certain nombre d'inconvénients. En effet, on constate qutap- parait entre le centre et les deux extrémités du ruban un très fort gradient de température. Bien que le cristal soit animé d'un mouvement de rotation de manière à homogénéiser la température au niveau de ltinterface de croissance, les écarts de tem pérature qui peuvent atteindre 100 à 1500 sont trop importants pour ne pas entratner des variations notables de la vitesse de croissance, ces variations se traduisant par une altération de la qualité cristalline. Ce gradient thermique est principalement dfl aux pertes thermiques importantes qui se produisent par conduction dans le ruban lui-meme. La présente invention a pour but, entre autres, de proposer un procédé selon lequel on maintient une température constante tout autour du barreau polycristallin. La présente invention concerne un procédé de fabrication dtun monocristal à partir d'un barreau polycristallin, par déplacement le long dudit barreau d'une zone solvante fondue appliquée sous forme de pastille, entre le barreau polycristallin et un germe monocristallin, ladite pastille étant chauffée par un ruban métallique soumis à l t action d'un courant amené par deux électrodes fixées aux extrémités dudit ruban ; il est remarquable en ce qutil consiste à créer un accroissement local de la température par augmentation de la résistance, en deux régions latérales d du ruban, lesdites régions s'étendant sur toute la largeur dudit ruban, étant symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe du barreau polycristallin, distantes entre elles d'une quantité "l" et située chacune entre ledit barreau et l'une des deux électrodes. La quantité 1 est définie par la formule 1 = D2 + A dans laquelle D2 désigne le diamètre de la zone solvante et A une marge de sécurité, le diamètre D2 de la zone solvante étant fonction du diamètre D1 du barreau polycristallin, ledit diamètre D1 étant lui-meme fonction du diamètre D3 du germe monocristallin et des densités respectives des deux matériaux. La marge de sécurité A doit être au moins égale à 4 millimètres. En effet, 2 millimètres au moins de marge sont laissés de part et d'autre de la zone solvante entre ladite zone solvante fondue et chaque région latérale d de résistance augmentée. Cette marge permet d'éviter que la zone solvante fondue n'empiète sur les régions latérales "d", dont elle modifierait la résistance d'une façon non contrôlée ; en outre, lesdites régions "d" présentant une température élevée tendraient à attirer ladite zone solvante. La présente invention concerne également le dispositif de mise en oeuvre du procédé. Ce dispositif est un ruban métallique de chauffage aux extrémités duquel sont fixées des électrodes de même largeur que ledit ruban, comportant dans sa région centrale une pluralité de trous inscrits dans un cercle d'un diamètre de même ordre de grandeur que celui du barreau à traiter ; il est remarquable en ce qu'il présente, en deux régions latérales 'in", sur toute sa largeur, un rétrécissement de section, de part et d'autre de la région centrale, entre ladite région centrale et chaque électrode, et perpendiculairement au sens de passage du courant. Par suite de ce rétrécissement de section, la surface du ruban métallique limitée par les deux régions latérales se trouve portée à une température uniforme. En effet, l'invention est basée sur le fait que, conformément à la loi de Joule, on sait que la quantité de chaleur dégagée pendant une durée de temps t est déterminéepar la formule le temps t étant fixé ainsi que l'intensité I,'il en résulte que Q est fonction de la résistance R et, par cnnséquent, pour augmenter la quantité de chaleur- dégagée Q, il suffit d'augmenter la résistance R et pour cela de diminuer la section de ladite résistance. De ce fait, pour élever la température aux deux extrémités du ruban métallique et obtenir une surface où la température soit la même en chaque point, on réduit la section du ruban en ses deux extrémités. il faut, pour que le rétrécissement soit efficace, qugil atteigne au moins 80 ffi de 1a section. Il est possible de réduire la section du ruban en pratiquant une pluralité d'ouvertures sur toute la largeur du ruban et selon au moins une rangée de chaque côté de la région centrale, entre ledite région centrale et l'électrode et perpendiculairement au sens de passage du courant. Les ouvertures peuvent être de faon préférentielle disposées selon plusieurs rangées parallèles les unes aux autres, lesdites ouvertures étant alors disposées en quinconce et pouvant être de forme circulaire (trous) ou allongée (fentes) Ce rétrécissement peut être fait également en pratiquant des stries dans le ruban métallique.Ces stries doivent être perpendiculaires au sens de passage du courant, elles sont creusées à la fois sur la face supérieure et sur la face inférieure du ruban et en regard les unes des autres ; au minimum il faut deux stries en regard l'une de l'autre entre la région centrale percée de trous et chaque électrode. Outre le rétrécissement de section, la présence dans le parcours normal du courant, d'obstacles tels que des trous ou des stries a pour effet d'augmenter ledit parcours et de favoriser ainsi l'échauffement du ruban au voisinage desdits obstacles. Par l'échauffement supplémentaire se produisant de chaque côté de la région centrale, entre ladite région centrale et chaque électrode on compense la conduction thermique se produisant dans le ruban métallique et dans les électrodes d'amenée de courant. il en résulte notamment que la réduction locale de la section du ruban doit être d'autant plus prononcée que les pertes thermiques par les électrodes sont plus importantes. La nature du ruban doit être telle qu'il présente une inertie chimique vis-à-visdes solvants et de l'atmosphère ambiante, qu'il ait une résistivité compatible avec la puissance disponible, et qutil soit suffisamment rigide pour ne pas fluer à la température de travail. Pour ces raisons, on-choisit de préférence comme matériau le platine. Afin d'éviter la déformation due à la dilatation, le ruban métallique présente, à chaque extrémité, une pliure parallèle à l'électrode et disposée entre le rétrécissement de section et ladite électrode. La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif permettra de bien comprendre comment la présente invention peut entre réalisée: - la figure 1 représente en perspective cavalière un ruban métallique conforme à l'invention. - la figure 2 représente la courbe de répartition thermique au niveau du ruban métallique. - la figure 3 représente également un ruban métallique conforme à l'invention, mais plus élaboré. - les figures 4al et 4a2, 4bl et 4b2, 4c1 et 4c2 présentent en détail trois façons possibles de réduire la section du ruban métallique. - les figures 5a et 5b représentent respectivement les sché mas du parcours du courant dans un tronçon d'un ruban métallique non conforme à I'invention et dans un tronçon d'un ruban conforme à l'invention. - la figure 6 est une vue de profil d'un équipement comportant le dispositif mettant en application le procédé selonl'in- vention. Pour des raisons de simplification et de clarté, les mêmes pièces ont été désignées par les mêmes chiffres ou références sur les différentes figures, mais ltéchelle de grandeur n'est pas respectée d'une figure à l'autre. En effet, certaines figures ne sont que des parties du dispositif représenté dans son ensemble sur d'autres figures. Sur la figure I, on a représenté entre deux électrodes respectivement désignées par 1 et 2, un ruban métallique 3 comportant, dans sa région centrale 4, une pluralité de trous et de chaque côté de la région centrale, entre ladite région et chaque électrode un espace délimité par d paralièle à chaque électrode,-donc perpendiculaire au sens de passage du courant, étendu sur toute la largeur dudit ruban et percé d'ouvertures 5 suivant par exemple deux rangées. La figure 2 représente la courbe de répartition thermique au niveau du ruban métallique qui est schématisé très simplement par une droite 3 réunissant les deux électrodes 1 et 2. Sur le ruban on a désigné par 4 la région centrale percée de trous et de chaque côté les espaces t'd" dans lesquels on réduira la section du ruban, lesdits espaces"dtt étant séparés l'un de autre par la distance "1". Sous ce schéma, on a représenté en traits pleins, la courbe A de température sur un ruban présentant seulement des trous dans la région centrale 4. On remarque le très fort gradient de température apparaissant entre le centre et les deux extrémités du ruban.En traits pointillés, on a représente i la courbe B de la répartition de la température sur le ruban braque celui-ci présente un rétrécissement de sa section dans les espaces "don, on constate, par observation de cette courbe, que la températirre est maintenant homogène sur tout le ruban. Sur la frgure 3, on a représenté le même dispositif que sur la figure 1, mais afin d'éviter que le métal ne se déforme par dilatation sous l'influence de la température à laquelle il est porté par passage du courant, on a plié le ruban 3 suivant deux pliures parallèles aux électrodes, la pliure 31 étant proche de 1 t éleetrode I et la pliure 32 proche de l'électrode 2o Les figures 4 montrent différentes possibilités derétré- cissement de section du ruban de chauffage. Pour simplifier les dessins, on a seulement représenté une rangée dtouvertures, mais il est possible de réaliser plusieurs rangées (parallèles entre elles) dsouvertures, à condition que les ouvertures soient disposées en quinconce les unes par rapport aux autres.Sur la figure 4a1, on a représenté un tronçon du ruban 3 d'une épaisseur11e11 et la zone définie par "d" dans laquelle on a indiqué des ouvertures 5. La figure 4a2 est la coupe suivant XX' de la figure 4al. On y retrouve les ouvertures 5 circulaires percées dans l'épaisseur "e" du ruban 3, on a hachuré les parties 6 qui indiquent les restes de section dudit ruban 3. Sur la figure 4bl, et comme précédemment, la section du ruban 7 d?épaisseur 'e est réduite à l'aide d'ouvertures 5 de forme rectangulaire suivant une rangée dans la zone nd??. La figure 4b2 qui est une coupe suivant XX' de la figure 4bl montre dans 11épaJsseur"e"les ouvertures 5 et les zones hachurées 6 restant de la section du ruban. Sur la figure 4c1 le rétrécissement de section du ruban 3 est fait à l'aide de deux stries 7 et 8 creusées dans l'épaisseur "e"dudit ruban et en regard l'une de l'autre. D'autres stries peuvent astre creusées parallèlement auxdites stries 7 et 8, ceci n'a pas été représenté sur le schéma pour des raisons de simplification. La figure 4c2 montre la section hachurée 6 restante, comprise entre les deux stries 7 et 8. Les figures a et 5b représentent schématiquement le trajet du courant d'une part dans un tronçon de ruban ne présentant pas de rétrécissement desection, et d'autre part dans un tronçon de ruban présentant des ouvertures 5 dans la zone "d". On constate, dans ce dernier cas, que le courant au lieu de circuler directement doit contourner les ouvertures, de ce fait, son trajet est plus long et il en résulte un échauffement ce qui est bien le but recherché. Enfin, sur la figure 6, on a représenté le ruban de chauffage 3 tenu entre les deux électrodes 1 et 2. En son centre, est la région 4 percée de trous et présentant de part et d'autre les zones "d" de rétrécissement de section. Le ruban métallique 3 permet i fusion d'une pastille de solvant qui, à 11état fondu, donne la zone solvante 10 dedia- mètre D2. Par tirage de l'ensemble solidaire : barreau polycristallin 9 de diamètre D1 et germe monocristallin 11 de diamètre D3, on obtient une dissolution progressive du barreau polycristallin 9, un transport dans la zone solvante 10 et un dépôt sous forme monocristalline sur le germe 11. On a constaté que pour être efficaces, les zones définies par non doivent entre situées de préférence le plus près possible de la région occupée par la zone solvante. Il convient de constater en outre que la largeur du ruban ntintervient pas comme paramêtre essentiel. On donne sensiblement au ruban les dimensions des cristaux que l'on désire faire croître ; on peut éventuellement augmenter les dimensions, il suffit que les électrodes d'amenée du courant aient la même largeur que le ruban. De plus, il faut noter qu'il est d'autant plus facile d'obtenir une surface dont la température soit uniforme que les dimensions des cristaux sont petites. En effet, plus on se rapproche de la zone centrale et moins le gradient de température est abrupt, et, par conséquent, plus il est facile de le redresser. Ceci se traduit par un nombre de trous ou de fentes à pratiquer moins important. Afin d'illustrer la présente invention, nous donnerons les exemples ci-après, ces expériences ayant été faites à l'aide d'un ruban de platine de 0,5 mm d'épaisseur. Fabrication d'un cristal de 15 mm de diamètre D3 - Barreau polycristallin de diamètre D1 = 17 mm - Extérieur de la zone solvante de diamètre D2 = 20 mm. Cette dimension D2 est calculée à 1laide d'une formule connue qui fait intervenir le diamètre D1 du barreau polycristallin, ce diamètre étant fonction du diamètre D3 du monocristal à obtenir, ainsi que des densités des matériaux en présence. Cette formule n'est pas mentionnéedans la présente description car elle ne fait pas partie de l'invention, et peut être aisément établie par un homme de l'art. - Largeur minimum du ruban 24 mm, en effet 2 millimètres de marge sont laissés de part et d'autre de la région centrale dens le sens de la largeur de façon à réduire les effets de bord et à empecher que la zone solvante ne vienne perturber la résistance du ruban. En ne réalisant qu'une seule rangée de trous ou de fentes, c'est-à-dire en dintervenant exclusivement que sur la section du conducteur, il faut que le rétrécissement de section soit de l'ordre de 85 à 90 %. En réalisant plusieurs rangées de trous ou de fentes dis posées en quinconce, ctest-à-dire en intervenant simultanément sur la section du ruban et sur sa conductivité locale, un rétrécissement de section de ordre de 80 à 85 % est suffisant. Fabrication d'un cristal de 25 mm de diamètre D3 Les remarques faites dans l'exemple précédent et concernant le diamètre D2 de la zone solvante ainsi que la valeur de la marge laissée entre la pastille centrale et les zones latérales sont les mêmes, de ce fait, le cristal de diamètre D3 de 25 mm a été réalisé selon les dimensions suivantes - Barreau polycristallin de diamètre D1 = 28 mm - Extérieur de la zone solvante de diamètre D2 = 31 mm - Largeur minimum du ruban 35 mm,.comme précédemment, en effet on a laissé 2 millimètres de part et d'autre de la région centrale dans le sens de la largeur comme marge de sécurité. En ne réalisant qu'une seule rangée de trous, le rétrécissement de section doit Aetre de tordre de 90 à 95 %. En réalisant plusieurs rangées de trous, le rétrécissement de section peut être ramené à 85 ou 90 %. -Il est bien évident que la description qui précède ainsi que les réalisatiorsqui sont mentionnées, sont données uniqUement à titre d'exemple non limitatif et que des variantes peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Notam- ment, il est possible d'envisager, dans les régions-latérales dont on désire augmenter la résistance, l'insertion d'un matériau approprié, suivant par exemple une ou plusieurs bandes de même largeur que celle du ruban métallique de chauffage. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un monocristal à partir d'un barreau polycristallin, par déplacement le long dudit barreau d'une zone solvante fondue appliquée sous forme de pastille, entre le barreau polycristallin et un germe monocristallin, ladite pastille étant chauffée par un ruban métallique soumis à l'action d'un courant amené par deux électrodes fixées aux extrémités dudit ruban, caractérisé en ce qu'il consiste à créer un accroissement local de la température par augmentation de la résistance, en deux régions latérales d du ruban, lesdites régions s'étendant sur toute la largeur dudit ruban, étant symétriques l'une de l'autre par rapport à l'axe du barreau polycristallin, distantes entre elles d'une quantité f et située chacune entre ledit barreau et l'une des deux électrodes. 2. Procédé de fabrication dlun monocristal selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité"l" est définie par la formule I = D2 + A, dans laquelle D, désigne le diamètre de la zone solvante, et A une marge de sécurité, le diamètre D2 de la zone solvante étant fonction du diamètre D1 du barreau polycristallin, ledit diamètre D1 étant lui-meme fonction du diamètre D3 du germe monocristallin et des densités respectives des deux matériaux en présence et A étant au moins égal à 4 millimètres. 3. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, concernant un ruban métallique de chauffage, aux extrémités duquel sont fixées des électrodes de meme largeur que ledit ruban, comportant dans sa région centrale une pluralité de trous inscrits dans un cercle dgun diamètre de meme ordre de grandeur que celui du barreau à traiter, caractérisé en-ce qu'il présente en dieux régions latérales "d", sur toute sa largeur, un rétrécissement de section, de part et d'autre de la région centrale, entre ladite région centrale et chaque électrode et perpendiculairement au sens de passage du courant. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ee que le rétrécissement de la section doit atteindre au moins 80 ffi de ladite section. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rétrécissement de section est fait à l'aide d'ouvertures substantiellement pratiquées dans le ruban métallique, perpendiculairement au sens de passage du courant. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures sont faites à travers le ruban métallique et disposées suivant au moins une rangée perpendiculaire au sens de passage du courant. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ouvertures sont des trous circulaires. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ouvertures sont des fentes perpendiculaires au sens de passage du courant. 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les ouvertures sont disposées suivant plusieurs rangées parallèles entre elles et perpendiculaires-au sens du courant, lesdites ouvertures étant situées en quinconce les unes par rapport aux autres. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures sont des stries creusées dans le ruban, à la fois sur la face supérieure et sur la face inférieure dudit ruban et en regard les unes des autres. 11. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ruban métallique présente une très bonne inertie vis-àvis des solvants et de l'atmosphère ambiante, une résistivité compatible avec lipulssance disponible et une rigidité suffisante. 12. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ruban métallique est en platine. 13. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ruban métallique présente à chaque extrémité une pliure parallèle à ltélectrode et disposée entre le rétrécissement de section et ladite électrode. 14. Monocristaux réalisés par application du procédé selon la revendication 1