Brevet FR2489373A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne le domaine des appareils pour le tirage d'un monocristal à partir d'un bain fondu et, plus particulièrementdes têtesde tirage pour un appareil de croissance cristalline de Czochralski, dans lequel ledit cristal est supporté par une chaîne. Un appareil pour la croissance de rionocristaux par la -10 méthode de Czochralski, comprend un creuset destiné à conte- nir un bain fondu et. un mécanisme prévu pour tirer un cris- tal à partir dudit bain fondu suivant un axe vertical, à une vitesse sensiblement constante, tout en imprimant en même temps au cristal en cours de croissance, une rotation rela- tive autour dudit axe, par rapport au bain fondu. La remontée verticale du cristal en croissance s'effectue à partir de la partie de l'appareil formée par la "tête de tirage" qui doit assurerun alignement mécanique de l'axe de rotation avec l'axe de tirage vertical, tout en procurant une facilité d'accès pour l'entretien et un temps de révision rapide dans un contexte de production. En outre, dans une catégorie d'ap- pareils, il est souhaitable de mettre en oeuvre le procédé dans un carter tenant le vide afin d'obtenir une protection amE liorée contre la contamination. Il est connu dans l'art antérieur d'utiliser une chaîne à billes pour supporter et remonter verticalement le cristal à mesure qu'il est tiré à partir du bain fondu, conjointement avec un tambour de remontée pour l'emmagasinement de la chaî- ne non-tendue. Dans un appareil connu, l'alignement de l'axe de tirage, gravitationnellement défini par la chaîne à billes, avec l'axe de rotation, est maintenu en faisant se déplacer le tambour de remontée le long d'une vis mère, transversale à l'axe de rotation et de tirage du cristal. L'appareil connu à translation de tambour, utilise un mécanisme claveté ou cannelé ou un coussinet linéaire à billes pour contraindre tambour à se déplacer en translation le long de son axe de rotati pendant la rotation dudit tambour. Un écrou et la vis mère fixés sur l'axe du tambour ont un pas de vis propre à permet- tre la translation du tambour d'une grandeur égale à la lar- geur de la chaîne. Par suite, la chaîne est maintenue tan- gente à la circonférence du tambour et en alignement constant avec l'axe de rotation désiré du cristal. Les besoins de lubrification de la vis mère et la cannelure du mécanisme de tirage de chaîne connu sont totalement impropres au maintien d'un environnement exempt de contamination, désiré pour la croissance du cristal conformément à l'invention. La course transversale nécessaire pour le tambour de ce mécanisme de l'art antérieur augmente en outre le volume de la tête de tirage et nuit du reste au mécanisme qui commande la rotation autour de l'axe vertical. L'enroulement de la chaîne sur le tambour provoque une remontée irrégulière, car à chaque pas, la chaîne vient - s'appliquer en se relâchant contre la surface du tambour bien qu'elle se trouve en tension. Ce relâchement se produit de façon incontrôlée, ce qui fait naître des petites irrégularités dans le tirage ver- tical. Un appareil de tirage des cristaux du type décrit ci- dessus utilise une "chaîne à billes" prenant la forme d'un chapelet de perles sphériques. En commun avec l'appareil de l'art antérieur décrit cidessus, la demande de brevet américain NI 119 913 au nom du demandeur, décrit une tête de tirage compacte qui met en oeuvre de grandes lon- gueurs de tirageenutilisant la chaîne à billes et un pignon adapté pour se conformer à la forme des perles de la chaîne par le fait que des poches correspondantes sont ménagées dans la surface latérale dudit pignon. L'axe de support et de rotation désiré est congruent à une tangente au pignon et la chaîne non-tendue est logée dans un espace de réserve au voi- sinage du pignon. Dans cet appareil, la stabilité et le réglage de la croissance du cristal sont sensiblement améliorés, tandis que les mouvements de rotation et de remontée verti- cale sont maintenus uniformes. Cet agencement a un certain nombre de propriétés avantageuses, mais en commun avec le mécanisme de l'art antérieur mentionné ci-dessus, la chaîne ou câble doit être remplacé à intervalles d'utilisation plu- tôt fréquents. Dans l'appareil de l'art antérieur, la chaîne est fixée au tambour directement par des attaches mécaniques. Par conséquent, on doit ouvrir la tête de tirage pour monter l'extrémité fixe de la chaîne de remplacement sur le tambour. Dans l'appareil selon la demande de brevet précitée, il est également nécessaire d'ouvrir la tête de tirage pour mettre en place une nouvelle chaîne même si aucun tambour n'a be- soin d'être aligné et que la chaîne n'a pas besoin d'être fixée par une attache au mécanisme de remontée. Ainsi, les deux types d'appareils décrits ci-dessus nécessitent des étanchéités au vide importantes et gênantes et entraînent de plus des arrêts de fonctionnement de l'ordre de plusieurs heures. Le but de l'invention est de permettre d'obtenir une tête de tirage améliorée pour un four de croissance cristalline du type Czochralski. Selon une caractéristique de l'invention, le cristal en cours de croissance est suspendu à une chaîne à billes, le tirage est effectué avec un pignon denté adapté à ladite chaîne et ladite chaîne est introduite dans ledit appareil par une ouverture prévue au-dessus dudit pignon et alignée avec ce dernier. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chaîne est introduite dans l'ouverture par l'intermédiaire d'un tube de guidage. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le tube de guidage est adapté à recevoir un capuchon de fer- meture étanche propre à fermer hermétiquement une enveloppe renfermant le four de croissance cristalline. Les objectifs et caractéristiques précités sont at- teints conformément à l'invention par un appareil dans lequel la mise en mouvement vertical de la chaîne et la remontée de la chaîne sont séparées, par le fait que ledit appareil pré- voit un pignon denté pour assumer la fonction de tirage ver- tical et un espace d'emmagasinement pour la réserve de chaîne non-tendue (remontée). Le pignon denté s'engrenant avec la chaîne est caractérisé par des poches concaves formant la denture du pignon, lesdites poches se conformant aux perles sphériques de la chaîne à billes. Par suite de cette configu- ration, la chaîne introduite par le haut, se trouve facile- ment engrenée par le pignon et un simple remplacement de la longueur de chaîne entière se trouve autorisé sans démontage de la tête de tirage. Le remplacement de la chaîne s'effectue en dégageant l'extrémité libre de ladite chaîne du pignon pour l'intro- duire dans l'espace d'emmagasinement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple indicatif mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels; La figure 1 représente une vue schématique de l'appareil de tirage de cristal conforme à l'invention La figure 2 est une vue schématique partielle de la tête de tirage de l'invention; et La figure 3 est une vue en coupe d'une partie du mécanisme - de la figure 2 effectuée selon la ligne 3-3 de cette figure. En se référant auxdites figures, on peut voir, notam- ment brièvement esquissé dans la figure 1, un appareil de croissance cristalline qui définit le cadre de l'invention. Un four 1 chauffe un bain fondu 3 de la charge d'alimentation de la substance cristalline désirée contenue dans un creuset 2 en matériau réfractaire (ordinairement du quartz pour ses propriétés de transmission des infra-rouge. Un cristal 4 est tiré à partir du bain fondu 3 par une tête de tirage 5, par l'intermédiaire de la chaînette 6. Un carter ou boîtier 7 entoure l'appareil entier peur garantiruneprotection contre les agents contaminants et, dans certairP cas, pour constituer une enveloppe hermétique pouvant tenir le vide ou une atmosphère inerte. Des moteurs 8 et 9 fournissent les mouvements rela- tifs de rotation et de tirage du cristal en cours de crois- sance, par rapport au bain fondu. La description de l'invention sera mieux comprise en référence aux figures 2 et 3 qui montrent les composants princi- paux de la tête et du mécanisme de tirage. Un boîtier 10, de préférence formé en matériau transparent, est fermé aux deux extrémités par une plaque de dessus 12 et par une plaque de dessous 14 pour former l'enceinte de logement de la tête de tirage. Des joints d'étanchéité 12' et 14' sont représen- tés dans lesdites figures sous forme de joints plats, pure- ment pour raison de commodité. La plaque de dessous 14 commu- nique à travers le bouchon de guidage avec la colonne verti- cale 16 du dispositif de croissance cristalline entier. Un cristal en cours de croissance 18, tiré à partir d'un bain fondu, non représenté,est supporté à partir d'un porte-germe lui-m3me supporté par la chaine à billes 22. La cha ne à billes 22 peut être formée d'une multiplicité d'éléments sphériques creux, enchaînés de façon lâche à des éléments analogues adjacents par des segments en forme de tige pleine ou en forme de petites haltères tubulaires. La chaîne à bil- les 22 engrène sur ur pignon denté 24 et l'extrémité non- tendue ou libre de la chaîne à billes 22 se trouve déchargée du pignon 24 pour êtrerecueillie dans un conteneur 26 ou, de façon différente dans une partie non-isolée de l'enveloppe contig e au pignon 24. Le pignon denté 24 est formé d'une section cylindrique, dont la surface incurvée présente des poches ménagées dans ladite surface pour recevoir les mail- lons de la chaîne à billes 22 de façon à assurer leur enrou- lement suffisant autour du pignon 24 pour supporter le poids du cristal en cours de croissance, tandis qu'un galet tendeur 28 retient de force l'extrémité libre de la chaîne à billes 22 contre le pignon 24. Une commande d'interruption 29 est sensible à une condition imminente de fin de chaîne. Cet agencement à pour effet d'assurer l'avance désirée de l'ex- trémité libre de la chaîne à billes 22 dans le porte-germe. La tête de tirage entière est apte à une rotation au- tour de l'axe vertical 30 par l'intermédiaire de l'ensemble de paliers 32. Un moteur fixe 34 entraîne la tête de tirage entière par l'intermédiaire des poulies motrices 35, des courroies 36 et des poulies de tête 37. La puissance de tira- ge vertical est fournie par un moteur 38 par l'intermédiaire d'un train de transmission schématiquement représenté sur la figure 3. Cette transmission est classique et fournit une démultiplication appropriée pour faire tourner l'arbre 40 du pignon à une vitesse de rotation dans la gamme désirée d'en- viron 0,1 à 1,5 tour/heure. Un réglage supplémentaire de la vitesse de tirage est obtenue par le choix du diamètre du pignon denté 24. Celui-ci a été sélectionné afin de produire une circonférence d'environ 25,4 cm. Les rapports de démulti- plication en coopération avec ledit diamètre du pignon four- nissent des vitesses de tirage vertical dans l'intervalle d'environ 2,5 - 38,1 cm/heure. En conséquence, la puissance de rotation est fournie à l'arbre 42 sur l'axe de transmis- sion verticale 42' par un train démultiplicateur intermé- diaire 44. L'arbre vertical 42 est construit en deux-parties avec des accouplements 45 prévus pour permettre de retirer de façon simple la plaque de dessus 12 pour accéder aux mécanis- mes lorsqu'une révision majeure est nécessaire. Une transmis- sion 46 à angle droit, par exemple, une vis sans fin d'un train de roues à vis sans fin, constitue un train démultipli- cateur supplémentaire pour transmettre de la puissance à l'arbre 40 du pignon. Alors que la tête de tirage à tambour de translation de l'art antérieur utilisait une chaîne de longueur fixée, l'ap- pareil de l'invention utilise une chaîne de longueur varia- ble. L'excès de chaîne emmagasiné dans le conteneur 26 permet le retrait fréquent d'une partie de la chaîne au voisinage du porte-germe cristallin. Comme la résistance de la chaîne se trouve altérée par une exposition continue à des températures élevées dans cette région, le risque d'une défaillance de la chaîne est réduit au minimum par un simple enlèvement de la partie de chaîne ainsi exposée avant d'amorcer une nou- velle croissance cristalline. L'excès de chaîne autorise cet enlèvement. Il faut souligner qu'une défail- lance de la chaîne est un accident désastreux qui entraîne la perte d'un cristal que l'on fait croître selon des procédés onéreux, et qu'elle est susceptible d'endommager le creu- set et les constituants de la zone chaude, de même qu'elle aboutit à des pertes considérables de temps pour restaurer la mise en condition de l'appareil. Un programme méticuleux de maintenance préventive est essentiel pour assurer un fonctionnement irréprochable de l'appareil. Un aspect central de ce programme est le rempla- cement de la chaîne aux intervalles appropriés. Pour faci- liter ce remplacement, on prévoit selon l'invention une ou- verture 50 ménagée dans la plaque de dessus ou de couverture 12. Cette ouverture est alignée avec le plan du pignon 24. Une bride 52 est apte à raccorderun élément tubulaire 54 à la plaque de couverture 12 dans une relation d'étanchéité au vide. Des joints étanches au vide ne sont pas représentés dans les figures annexées, mais de tels joints sont bien con- nus et n'ont pas besoin d'être décrits avec davantage de détails. Un montage à demeure 56 est raccordé hermétiquement par brasage ou autre à l'extrémité de l'élément tubulaire 54 pour constituer une fermeture étanche conjointement avec un capuchon de fermeture étanche non représenté, lorsque l'or- gane de tirage du cristal est mis sous vide. Le remontage de la chaîne est simplifié sous plusieurs aspects. Tout d'abord, il n'est pas nécessaire de disloquer le joint étanche au vide 12' par l'ouverture de la plaque de couverture 12 de la tête de tirage. On engage au contraire la nouvelle chaîne en la dirigeant dans l'élément tubulaire 54 après avoir retiré le bouchon de fermeture. La nouvelle chaîne est guidée à travers l'ouverture 50 jusqu'à ce qu'elle s'engage sur le pignon denté 24. Le pignon est mis en rotation dans son mode de "remontée", de façon que la chaine se décharge du pignon pour venir s'accumuler dans la zone d'emmagasinement ou réserve 26, ou une zone équivalente. Lorsqu'une extrémité de la chaîne est venue reposer sur le pignon 24, on inverse la commande du pignon pour entraîner ce dernier dans son mode de "descente", la chaîne étant guidée à travers le bouchon 15 de guidage interne pour être fixée au porte-germe afin d'amorcer une nouvelle croissance de cris- tal. Il est entendu que l'on peut mettre en oeuvre l'inven- tion selon de nombreuses modifications et variantes par rap- port à la description faite ci-dessus, sans toutefois s'écar- ter du cadre et de l'esprit de ladite invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour tirer un cristal à partir d'un bain fondu, ledit appareil comprenant: a) un creuset (2) pour retenir ledit bain fondu (3); b) une tête de tirage (5) pour tirer un cristal de croissan- ce amorcée par un germe, à partir dudit bain fondu; c) des moyens pour assurer une rotation relative entre ledit.bain fondu (3) et un cristal (4) tiré à partir de ce dernier, suivant un axe vertical de rotation (30) dudit cristal; et d) un carter ou boîtier (10) pour réaliser un environnement étanche exempt de contamination pour l'appareil, renfermant la tête de tirage, ladite tête de tirage étant caractérisée par le fait qu'elle comprend: (i) un porte-germe (20) pour la saisie d'un cristal à crois- sance amorcée par germe tiré à partir dudit bain fondu, (ii) une chaîne (22) présentant une extrémité de tirage du- dit porte-germe suivant un axe vertical et une autre extrémité libre, ladite chaîne comprenant une multiplicité de maillons de chaîne reliés bout-à-bout de façon flexible, (iii) des moyens de remontée coopérant avec ladite chaîne, pour déplacer ledit cristal à croissance amorcée par germe suivant l'axe vertical, lesdits moyens de remontée comprenant un pignon denté (24), présentant une denture répartie sur sa périphérie de façon à s'engrener avec lesdits maillons de chaîne, ledit pignon denté étant disposé de telle façon à aligner une tangente audit pignon orientée verticalement, avec ledit axe vertical, (iv) des moyens pour faire tourner ledit pignon denté pour déplacer ladite chaîne (22) le long de l'axe vertical (30), (v) un conteneur (26) pour emmagasiner l'extrémité libre de la chaîne non-tendue, remontée par ledit pignon denté et la chaîne qui se décharge à partir de ce dernier, (vi) le boîtier (10) renfermant ladite tête de tirage (5) et comprenant une plaque de couverture (12) disposée au-dessus du- dit pignon denté, est caractérisé par une ouverture (50) ménagée dans ladite plaque de couverture, et verticalement alignée avec le plan dudit pignon denté, et (vii) des moyens de fermeture étanches pour fermer herméti- quement l'ouverture (50) de façon que la chaîne puisse être rem- placée sans retirer la plaque de couverture (12)et affecter l'é- tanchéité de l'environnement de la tête de tirage, en engageant une nouvelle chaîne pour la diriger à travers l'ouverture et la monter à engrènement sur le pignon denté. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un organe tubulaire (54) communiquant avec la- dite ouverture (50), pour guider une chaîne (22) de façon à la faire engrener sur ledit pignon denté '24) pendant l'introduction de la chaîne de remplacement sur ledit pignon denté. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit organe tubulaire (54) comprend un élément d'obtura- tion étanche et amovible à l'une de ses extrémités, de façon que la tête de tirage soit hermétiquement fermée avant et après l'intro- duction de la chaîne de remplacement. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite chaîne (22) comprend une multiplicité de billes ou perles sphériques, généralement uniformes et reliées bout-à-bout. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit pignon denté (24) présente une section cylindrique, droite et comportant une multiplicité de poches concaves sur sa surface, lesdites poches étant conformées aux maillons de la chaîne. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ouverture (50) est positionnée directement au-dessus de l'axe du pignon denté, centralement par rapport à cet axe, et dans le plan du pignon denté.