Brevet FR2414366A1 — publié le 19790810

La présente invention concerne un dispositif pour la crois sance des monocristaux à partir d'un bain de fusion et, plus précisément, un dispositif pour la -croissance des monocristaux à partir d'un bain de fusion, sur amorce. L'invention peut être utilisée avec le maximum d'efficacité dans la croissance, partir d'un bain de fusion, des monocristaux orientés de grandes dimensions, ayant une grande longueur et de grands diametres, notamment des monocristaux d'halogénurer de métaux alcalins pour usages optiques et de scintillation, des monocristaux semi-conducteurs (tels que germanium, silicium). .On emploie largement à ltheure actuelle des dispositifs pour l'étirage des monocristaux à partir d'un bain de fusion sur une amorce tournante refroidie, par la méthode de Czochralski. Par comparaison avec d'autres méthodes connues de croissance des monocristaux, celle de Czochralski permet d'obtenir des monocristaux de meilleure qualité (haute pureté, meil .leurm structure, orientation cristallographique précise, distribution plus uniforme des dopes en cas de dopage). Les dispositifs connus pour 11 étirage des monocristaux à partir d'un bain de fusion, sur amorce, comportent une chambre étanche, un creuset- et un dispositif de chauffage installés dans cette chambre, une tige refroidie a l'eau avec porte-amorce, des commandes pour la mise en rotation et on mouvements alternatifs de la tige et composées de moteurs électriques et de transmissions mécaniques. Les transmissions mécaniques sont rendues solidaires du corps de l'enceinte et sont cinématiquement liées à la tige, tandis que les moteurs électriques sont montés sur amortisseurs et sont réunis par accouplements élastiques à la partie mécanique de la commande pour réduire les vibrations. Un inconvénient des constructions de ce genre tient à ce que la vibration, créée par la transmission mécanique, est directement transmise a la tige avec le porte-amorce ce qui entrain la vibration du monocristal en croissance et du bain de fusion dans le creuset et compromet par conséquent la stabilité de croissance du monocristal. On connatt par ailleurs un dispositif destiné à l'étirage des monocristaux, à partir d'un bain de fusion, qui comporte un dispositif pour l'accrochage du porte-amorce de pair avec des commandes des déplacements alternatifs et des rotations de la tige avec le porte-amorce. Pour prévenir les mouvements pendulaires du porte-amorce et pour éviter la transmission å ce porte-amorce des vibrations, le dispositif d'accrochage du porte-amorce est réalisé sous forme d'une channe composée de plusieurs éléments sphériques creux, le diamètre extérieur des sphères assurant leur adhérence par friction au moyeu relié à la commande de rotation de la tige et transmettant la rotation au porte-amorce. Les sphères sont réunis l'une a l'autre de façon mobile au moyen d'éléments connecteurs rigides dont les dimensions transversales sont inférieures à celles du diametre des sphères. Pareille. conception du dispositif d'accrochage du porteamorce exclut la transmission à ce dispositif des vibrations, mais ne permet pas de l'utiliser pour la croissance des cristaux avec refroidissement forcé du porte-amorce, étant donné qu'il est impossible d'assurer l'étanchéité de façon store des éléments de la chatne et que pour cette raison il est impossible d'y faire passer à travers un agent refroidisseur. On connatt,d'autre part, un dispositif pour la croissance des cristaux par la méthode de Czochralski dans lequel le couple moteur de commande est transmis à la tige du porte-amorce au moyen d'une courroie flexible. Un inconvénient de cette conception tient au fait que l'élasticité de la courroie fait nattre des irrégularités dans la rotation du porteamorce, ce qui entratne des vibrations basse fréquence du monocristal, circonstance particulièrement néfaste lors de la croissance de monocristaux de forte masse et de grand encombrement, la probabilité de leur rupture par désintégration de l'amorce devenant plus considérable. On connais également un dispositif pour l'étirage des monocristaux, à partir d'un bain de fusion, qui comprend une tige refroidie à l'eau avec porte-amorce installé sur un chariot mobile et des commandes pour les déplacements alternatifs et la rotation de la tige. Les commandes de la rotation et des déplacements de la tige, qui comportent des moteurs électriques et une botte de vitesses sont montées sur un cadre rigide par l'intermédiaire d'eldments élastiques qui amortissent les vibrations. Le chariot mobile, où est montée dans des roulements la tige avec le porte-amorce, peut effectuer des mouvements alternatifs le long de l'axe de la tige dans un guide, au moyen d'une transmission à vis reliée à la commande des déplacements de la tige. Le couple moteur de rotation est transmis, depuis la commande des rotations, par un accouplement flexible a un arbre cannelé disposé à proximité immédiate de la tige et parallèlement a elle et, à partir de l'arbre cannelé, par l'intermédiaire d'un système d'engrenage sur la tige à porteamorce. Lors des déplacements alternatifs du chariot avec la tige et le porte-amorce, la roue dentée menante de l'engrenàge se déplace sur les cannelures de l'arbre cannelé. Un inconvénient de ce dispositif tient à ce que la transmission directe du couple moteur de rotation & la tige,avec le porte-amorce par on engrenage, provoque des vibrations de la tige avec le porte-amorce ce qui entratne une détérioration des monocristaux et accroît la probabilité de rupture du monocristal, particulièrement dans la croissance des monocristaux de grandes dimensions et de masse élevée. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients susdits. On s'est donc proposé de créer un dispositif pour la croissance des monocristaux, a partir d'un bain de fusion sur amorce, qui permette d'assurer une réduction sensible des vibrations,lors de la transmission de la rotation de la commande, à la tige avec le porte-amorce. La solution consiste en ce que, dans un dispositif destiné a la croissance des monocristaux, a partir d'un bain de fusion et comportant une tige creuse avec porte-amorce installée dans un chariot avec possibilité de Mouvements alternatifs solidairementavec l'amorce le long de son axe longitudinal vertical, une commande de rotation de la tige autour de son axe longitudinal, dans le chariot, et un système de refroidissement de la tige, suivant l'invention,cette commande de la tige comporte un arbre moteur introduit dans la tige creuse, coaxialement à celle-ci, et formant un interstice entre eux, la tige et l'arbre moteur engrenant entre eux par un dispositif assurant leurs rotations solidaires autour de l'axe longitudinal de l'arbre moteur et les déplacements alternatifs de la tige solidairement avec le chariot le long de l'axe longitudinal de l'arbre moteur. Conformément à l'une des réalisations de l'invention, ledit dispositif d'engrènement comporte un doigt solidaire de la tige et une rainure longitudinale ménagée à la surface extérieure de l'arbre moteur dans laquelle est logé le doigt susdit ; par ailleurs dans ledit interstice,formé entre la tige et l'arbre moteur, est disposé un gobelet ou cloche solidaire de la tige qui circonscrit l'arbre moteur, alors que l'interstice entre ce gobelet et la tige communique avec les moyens destinés à y créer une circulation d'agent frigorigène. L'invention permet de réduire sensiblement les vibrations de la tige du porte-amorce par transmission de la rotation la tige au moyen du doigt solidaire de la tige et de la rainure longitudinale ménagée a la surface extérieure de l'arbre moteur. Pareille conception réduit au minimum la surface de contact des éléments qui transmettent le couple moteur et assure les déplacements libres de ces éléments, l'un par rapport a l'autre dans la direction radiale, et dans la direction axiale, ce qui entrain une diminution sensible des vibrations et une amélioration du monocristal produit par croissance. Dans les cas où l'on fait crotte des cristaux de grande masse et où la vibration de la tige du porte-amorce risque d'entratner la séparation du monocristal de l'amorce, l'invention permet d'augmenter sensiblement la fiabilité de fonctionnement du dispositif d'étirage des monocristaux. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un exemple préféré de sa réalisation et du dessin annexé, dont la figure unique est une vue en coupe schématique verticale du dispositif destiné a la croissance des monocristaux à partir d'un bain de fusion, suivant l'invention. Ce dispositif comporte une enceinte étanche 1 dans laquelle est disposé un creuset 2 contenant le bain de fusion 3. Le creuset 2 est entouré d'un dispositif de chauffage 4 installé dans le garnissage 5. Dans l'enceinte 1 a travers le couvercle 6 et sur joint d'étanchéité 7, est introduite hermétiquement une tige verticale creuse 8 dont le fond est fermé. A l'extrémité inférieure de la tige 8 est rapporté un porte-amorce 9 à amorce 10, sur laquelle on fait crottre le monocristal 11. L'extrémité supérieure de la tige 8 est rapportée sur un moyeu 12, maintenu dans des roulements 13 sur un chariot 14. Dans la partie supérieure-de paroi de la tige 8 sont ménagés des orifices 15 d'évacuation de l'agent de refroidissement, a partir de la tige, entre les deux garnitures d'étanchéité 16 d'un collecteur 17. Dans le moyeu 12 est monté rigidement un doigt 18 qui pénètre librement dans une rainure 19 d'un arbre moteur 20 disposé coaxialement avec la tige 8. Cet arbre moteur 20 est creux, son extrémité inférieure étant munie d'un joint 21, a travers lequel passe dans le creux intérieur un tube 22 fixé hermétiquement au fond d'un gobelet ou cloche 23 solidaire de ia tige 8, ce gobelet étant installé entre la tige 8 et l'arbre moteur 20. L'extrémité supérieure de l'arbre moteur 20 est montée dans des roulements 24 sur une plaque 25. A l'intérieur de l'extrémité supérieure de l'arbre moteur 20 se trouve un joint d'étanchéité 26 traverse par un tube 27. L'extrémité supérieure de l'arbre moteur 20 est reliées par un engrenage 28, des accouplements flexibles 29 et un arbre cannelé 30, å la commande 31 de rotation de la tige 8 qui est rapportée, par l'intermédiaire des éléments amortisseurs 32, sur un cadre 33. Sur ladite plaque 25, rigidement rapportée au cadre 33, sont montés deux réducteurs 34 å vis sans fin dont les arbres de sortie sont solidaires de deux vis-mères 35 qui traversent des guides creux 36 (rapportés à la plaque 25). Sur ces vismères 35 sont montés des écrous 37 liés rigidement au chariot 14.Les réducteurs 34 à vis sans fin sont réunis par des accouplements flexibles 38 et l'arbre cannelé 39 à une commande 40 des déplacements alternatifs de la tige 8 assise par l'intermédiaire d'éléments amortisseurs 41 sur le cadre 33. Le dispositif fonctionne de la manière suivante. On place dans le creuset 2 la matière première tandis qu'on rapporte a la tige 8, au moyen du porte-amorce 9, l'amorce 10. On assure l'étanchéité de l'enceinte 1 et, au moyen du dispositif de chauffage 4, on met en fusion la matière première. Avant de mettre en circuit le dispositif de chauffage 4, on met en route le système de refroidissement de la tige 8. Au cours de cette opération, on fait arriver dans la tige 8 par le tube 27 et par le tube 22, dans l'interstice entre la tige 8 et le gobelet 23, l'agent refroidisseur qui est évacué ensuite par les orifices 15 pratiqués dans la tige 8, entre les joints d'tanchéité 16 placés dans le collecteur 17.On met en marche la commande 31 de rotation de la tige 8, qui, par l'intermédiaire des accouplements flexibles 29, l'arbre cannelé 30, l'engrenage 28, l'arbre moteur 20 et le doigt 18, fait tourner le moyeu 12 et, par l'intermédiaire de celui-ci, la tige 8 avec l'amorce 10. Après avoir sélectionné une température convenable du bain de fusion 3, on met en marche la commande 40 des déplacements alternatifs de la tige 8 le long de l'arbre 20. Par l'intermédiaire des accouplements flexibles 38, de l'arbre cannelé 39 et des réducteurs à vis sans fin 34, le couple moteur est transmis aux vis-mères 35 qui, au moyen des écrous 37, descendent le chariot 14 le long des guides 36 et,solidairement avec lui, la tige 8 avec l'amorce 10, jusqu'a ce que cette dernière vienne en contact avec le bain de fusion 3. Après que le cristal Il a amorcé sa croissance, on met en marche la commande 40 pour les déplacements de la tige 8, en sens inverse, de manière que la tige 8 avec l'amorce 10 et le monocristal en croissance ll commence å remonter à une vitesse garantissant la croissance du monocristal 11 d'un diamètre imposé. La croissance du monocristal Il étant achevée, on augmente la vitesse du déplacement ascendant de la tige 8 et on arrache le monocristal 11 du bain de fusion 3. On arrête l'arrivée de l'agent réfrigérant, on met hors circuit la commande 31 de rotation de la tige 8 et le dispositif de chauffage 4, on supprime ltétanchéité de l'enceinte 1 et on décharge le monocristal. L'installation des commandes 31, 40 sur des amortisseurs de vibrations 32 et 41, ainsi que la transmission du couple moteur à la tige 8, avec l'amorce 10, par un arbre moteur 20 coaxialement monté et au moyen d'un doigt 18 rigidement lié å la tige 8 (sur laquelle vient se fixer le porteamorce 9) et librement disposé dans la rainure 19 de l'arbre moteur 20, supprime les effets des vibrations des commandes 31, 40 sur le monocristal en croissance 11, ce qui permet d'obtenir de gros monocristaux de haute qualité. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la croissance des monocristaux partir d'un bain de fusion, comprenant une tige creuse avec un porte-amorce monté dans un chariot pouvant exécuter des déplacements alternatifs, solidairement avec une amorce le long de son axe longitudinal vertical, une coi-nde de rotation de la tige autour de son axe longitudinal dans le chariot et un système de refroidissement de la tige, ce dispositif étant caractérisé en ce que ladite commande de la tige comporte un arbre moteur introduit coalialement dans cette tige creuse et formant un interstice entre eux, la tige et l'arbre moteur engrenant entre eux au moyen d'un dispositif adapté leur mise en rotation conjuguée autour de l'axe longitudinal de l'arbre moteur et aux déplacements alternatifs de la tige, avec le chariot le long de l'axe longitudinal de l'arbre moteur. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif d'engrènement comporte un doigt solidaire de la tige et une rainure longitudinale ménagée à la surface extérieure de l'arbre moteur et dans laquelle vient se loger ledit doigt, ledit interstice entre la tige et l'arbre moteur logeant un gobelet ou cloche solidaire de la tige et qui circonscrit l'arbre moteur alors que l'interstice entre ce gobelet et la tige communique avec les moyens servant å y créer une circulation de l'agent réfrigérant.