Brevet FR2541315A1 — publié le 19840824

L'invention concerne un dispositif pour tirer un monocristal d'un creuset par au moins un organe de traction ou d'extraction se laissant enrouler; en particulier par au moins un câble, à ltestrémité duquel disposée au-dessus du creuset est fixé un porte-germe et qui est relié à un dispositif de commande de levage installé sur une plate-forme rotative autour de l'axe du cristal. Un tel dispositif est connu par la demande de brevet allemand DE-OS 31 16 916. La rotation de la plate-forme pendant le tirage a pour but de conférer une rotation correspondante au portegerme, de sorte que la partie déjà tirée du cristal ou du lingot effectue également une rotation continue3par rapport au creuset' dont la vitesse est de l'ordre de 15 à 20 trlmin. Le dispositif connu ne possède cependant qu'un seul câble, lequel est orienté ver ticalement, jusqu'à son point d'enroulement tangentiel sur le treuil, et forme une sorte de pendule avec le porte-germe et avec le cristal en cours de formation, Alors que la rotation de la plate-forme se laisse convenablement transmettre au cristal, le mouvement pendulaire pose quelques problèmes, d'autant plus que la longueur libre du câble au début du processus de tirage peut atteindre 3 m et probablement plus encore à l'avenir. Les causes de déclenchement d'un mouvement pendulaire sont aléatoires. La vitesse de rotation du câble et du cristal ainsi que la longueur du câble déterminent cependant, soit l'amortissement du mouvement pendulaire, soit son auto-amplification. Il existe une vitesse de rotation dite critique wk et une longueur de câble critique Lk au-delà de laquelle, ou desquelles, une rotation stable n'est plus possible. Ces grandeurs ont les relations suivantes: où g = l'accélération de la pesanteur. La plage de vitesse de rotation stable du cristal est limitez, avec le dispositif connu, à tout au plus 15 à 20 tr/min environ pour une longueur de cible d'environ 2,5 m. Des vitesses de rotation plus élevées, de 30 tr/min et davantage, sont souhaitables pour ce qui concerne le processus de tirage mais n' ont pas pu être obtenues jusqu'à présent parce que le cristal commence à osciller par suite de perturbations dues à la convection du bain, de sorte que la poursuite du processus de tirage est impossible. On peut effectuer des calculs de stabilité en considérant, pour simplifier, qu'il s'agit d'un pendule tournant de la longueur L et de la masse M, qui est soumis d'une part à la pesanteur et d'autre part à la force centrifuge. Il ressort de tels calculs que la vitesse de rotation critique présente une relation de dépendance de la longueur du pendule (longueur libre du câble), qui peut être représentée par le tableau suivant :: Longueur de chable L (cm) 50 100 150 ) 200 250 ( 300 Vitesse de rotation (tr/ 42,3 29,9 24,2 21,15 18,9 17,3 critique Wk min) Comme la force centrifuge et la force de rappel sont proportionnelles à la masse M, l'augmentation de la masse, par exemple par l'emploi d'un porte-germe plus lourd, n'apporte pas de remède.En raison du déplacement du centre de gravité par la croissance du cristal, la longueur effective du pendule augmente même encore un peu au début du processus de tirage, pour diminuer ensuite à mesure que le cristal devient plus long, puisque, à peu près à partir de l'équilibre des masses du porte-germe et du cristal, le centre de gravité commun se déplace de nouveau vers le haut à la moitié environ de la vitesse d'extraction. Les valeurs critiques indiquées dans le tableau signifient que, au-dessous de la vitesse de rotation critique et au-dessous de la longueur critique du pendule, le pendule retourne à sa position centrale en cas de petites perturbations (équilibre stable). A l'inverse, au-dessus de la vitesse ou de la longueur de pendule critique, le pendule est poussé encore davantage vers l'extérieur (état instable). La position extrême est atteinte dans la plage de déviation où la force de rappel augmente. plus que porportionnellement à la déviation. Une telle position extreme est toutefois inacceptable pour le processus de tirage. L'invention vise donc à perfectionner un dispositif du type défini au début, de manière que la tendance à l'oscillation de la suspension du cristal soit supprimée en grande partie. L'invention a en particulier pour but de perfectionner le dispositif connu de manière que la vitesse de rotation du cristal puisse être augmentée considérablement par rapport aux vitesses utilisées jusqu fa présent Selon l'invention, un tel dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend trois organes de traction essentiellement de même longueur, qui stétendent vers le bas en direction du portegerme à partir des sommets d'un triangle situé dans la plate-forme et son réunis à un point de liaison commun.On obvient de cette manière une suspension stable par trois points, si bien que la longueur de c bSe libre en tout cas ne participe pas à la formation d'un pendule. Il est particlièrement avantageux de placer le point de liaison commun pour les trois organes de traction aussi bas que possible. I1 convient par conséquent particulièrement de réaliser le porte-germe lui-même comme point de fixation commun pour les trois organes de traction (câbles). Ainsi, tout au plus le cristal sous Ie pote-germe eut eflOre former un pendule, Cependant, la vitesse critique pour ce seul cristal est si élevée qu'elle n'est plus atteinte dans la pratique du tirage. Comme les' d'ispbsitifs dont il est question ici ont en soi une très grande stabilité, les forces excitatrices d'un mouvement pendulaire sont de toute manière très faibles; comme déjà mentionné, elles proviennent principalement de la convection du bain dans le creuset. On peut donc'comprendre que des essais pratiques ont démontré que les cOtés du triangle situé dans la plate-forme peuvent être relativement courts. Déjà pour le cas où les sommets du triangle ne seraient éloignés radialement que de S cm de l'axe de rotation du cristal, on peut calculer que la force nécessaire pour produire la déviation d'une masse M0 = 5 kg est d'au moins 1 N. Or, de telles forces ne sont pas développéesdans le service normal Tant que de telles forces perturbatrices ou excitatrices restent au-dessous d'un certain seuil, elles ne sont plus en mesure de déplacer le centre de gravité de sa position centrale. Une telle stabilité de départ assure également un équilibre stable au-dessus des valeurs critiques pour la longueur du pendule et la vitesse de rotation De surcroît, avec la solution selon l'invention, l'augmentation de la masse initiale Mg (porte-germe) accroît la stabilité. Ceci n'est pas possible avec la suspension par un seul câbles comme indiqué dans ce qui précède Pour le centrage du porte-germe dans le dispositif, dont l'enveloppe portante est constituée par une chambre à vide, il est particulièrement avantageux d'incorporer un dispositif de réglage de longueur dans au moins un organe de traction. Za-plate-forme, qui peut Autre considérée également, au sens figuré, comme une plate-forme de référence pour le mouvement de rotation du cristal9 est réalisée habituellement sous forme d'un corps de révolution Il est alors possible de faire passer les organes de traction individuellement par des trous ou des fentes ménagés dans la plate-forme. Compte tenu du montage il est cependant particulièrement avantageux de réaliser la plate-forme comme un disque ayant la forme d'une couronne circulaire avec une ouver- ture dont le diamètre est égal ou supérieur au diamètre du cercle circonscrit au triangle. Selon un mode de réalisation particulièrement simple, la plate-forme porte un arbre horizontal commandé sur lequel est disposé mobile longitudinalement un tambour d'enroulement ou treuil où peuvent s'enrouler les trois organes de traction, dont l'un au moins est déporté latéralement par une poulie de renvoi. La surface latérale du treuil présente avantageusement trois rainures héli cotidales d'un pas adéquat pour la réception et, le guidage des trois organes de traction.Deux de ces organes peuvent s'étendre en ligne droite du treuil en direction du point de liaison commun a tandis que le troisième organe de traction est déporté latéralement par une poulie de renvoi, de manière que les centres des organes de traction au point de passage à travers la plate-forme soient situés sur les sommets d'un triangle. I1 convient de disposer la poulie de renvoi réglable horizontalement pour pouvoir ajuster le porte-germe dans le sens de son centrage dans le dispositif. Un seul treuil suffit dans le mode de réalisation décrit ci-dessus. I1 est cependant possible aussi de prévoir deux ou trois treuils séparés, qui doivent alors être commandés en synchronisme, pour enrouler et guider les organes de traction. Selon encore un autre mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, trois treuils sont uniformément répartis circonférentiéllement sur la plate-forme et sont commandés de façon synchrone quant à leurs vitesses d'enroulement. Il est meme possible en pareil cas de renoncer à la mobilité longitudinale des treuils sur leurs arbres horizontaux commandés respectifs, du fait que le déplacement de 11 organe de traction sur le treuil lors de l'enroulement ou du déroulement s'effectue dans le même sens sur les trois treuils, de sorte que ce déplacement peut venir s'ajouter tout au plus à la vitesse circonférentielle au diamètre concerné de la plate-forme.La vitesse de déplacement axial des organes de traction sur les treuils est cependant faible par rapport à la vitesse circonférentielle ou de rotation de la plate-forme. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est, une vue en perspective (avec un arrachement) d'une machine complète comportant un dispositif selon l'invention avec un seul treuil et tous les éléments de commande; et - la figure 2 est une vue en plan de la plate-forme d'un dispositif selon une variante comportant trois treuils commandés de façon synchrone. La figure 1 représente de manière très simplifiée, c'est-à-dire avec omission d'ouvertures de chargement et des dispositifs d'observation et de régulation, une chambre à vide 1 constituée essentiellement par un récipient cylindrique à axe vertical. La chambre vide porte en haut une partie cylindrique coaxiale de plus faible diamètre ou col 2, à I'intérieur duquel est disposé un système de montage en rotation (non représenté) pour une plateforme rotative 3. Ce système de montage forme une ouverture libre 3a vers le bas. La plate forme 3 est constituée par un disque en forme de couronne circulaire Elle est concentrique au col 2 et porte sur le dessous une poulie (qui n'est pas non plus représentée) sur laquelle passe une courroie trapézoidale 4 Cette courroie passe également sur une poulie 5 calée à l'extérieur de la plate-forme. sur l'arbre de sortie 6 d'une commande de rotation 7 composée d'un moteur E et d'un réducteur de vitesse 9. Le moteur 8 est réglable dans une plage de vitesse de rotation étendue. Le réducteur 9 est fixé par une équerre de support 10 sur le dessus de la chambre à vide 1. La plate-forme 3 peut ainsi être animée d'un mouvement de rotation autour d'un axe vertical qui coïncide avec l'axe commun de la chambre à vide 1 et du col 2 La plate-forme 3 porte deux supports 11 et 12 qui tournent avec elle et dans lesquels est monté un arbre horizontal 13.Cet arbre porte un treuil 14 qui tourne avec l'arbre mais peut coulisser longitudinalement sur lui La paroi longitudinale du treuil 14 présente trois rainures hélicöïdåles qui sont seulement indiquées schématiquement et dans lesquelles sont guidés trois organes de traction 15, 16 et 17 susceptibles de s'enrouler. Les extrémités supérieures de ces organes sont attachées de façon fixe au treuil 14. Celui-ci est déplaçable axialement sur l'arbre 13 de manière que les points où les organes de traction s' enroulent tangentiellement sur le treuil présentent toujours les mêmes positions relatives par rapport à la plate-forme 3. Ceci peut être réalisé facilement au moyen d'éléments de guidage adéquats qui pénètrent dens les rainures hélicoidales et sont fixés à la plate-forme elle-meme. La figure 1 montre que les deux organes de traction 15 et 16 s'étendent vers le bas sous un-angle très aigu (par rapport à la verticale) à partir du point où ils quittent le treuil tangentiellement, jusqu'à ce qu'ils se rejoignent à un point de liaison commun 18. Ce point est situé juste au-dessus d'un porte-germe 19. Le troisième organe de traction 17, à sa sortie du treuil 14 > est d'abord guidé horizontalement vers une poulie de renvoi 20 qui est montée rotative par un palier 21 sur une équerre de support 22, elle-me me fixée à la plate-forme 3 par une ou plusieurs vis traversant un trou oblong de l'équerre, ce qui permet d'approcher ou d'écarter la poulie 20 du treuil 14 et d'effectuer ainsi un réglage en longueur des organes de traction entre eux.Il est bien entendu possible de munir un ou plusieurs organes de traction d'un dispositif de réglage de longueur 38, qui peut etre réalisé par exemple comme les dispositifs de rajustement des câbles Bowden Le réglage adéquat des longueurs de câbles les uns par rapport aux autres permet de placer le point de liaison commun 18 exactement sur l'axe de rotation de la plate-forme 3, de sorte que toute excentricité du porte-germe 19 est exclue. Dans le porte-germe 19 est serré un germe S partir duquel est tiré le cristal 23 commençant par une portion étroite ou col 24 qui se raccorde par un épaulement 25 a la partie principale du cristal ou lingot 23. Le tirage s'effectue à partir d'un bain 26 contenu dans un creuset 27 qui est entouré d'une bobine de chauffage 28 Pendant le tirage, le cristal 23 effectue une rotation autour de son axe longitudinal, qui lui est imprimée par la rotation de la plate-forme 3. Les détails de ce processus de tirage qui est également connu sous le nom de 'méthode de Czochralski" ou "méthode CZ" > font cependant partie de l'état de la technique) de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les décrire davantage ici. Sur l'arbre 13 est calée une roue tangente 29 qu'une vis sans fin 30 fait tourner dans le sens de la flèche pour ltenrou- lament La vis 20 est elle-même calée sur un arbre 31 qui est monté rotatif par son extrémité inférieure dans la plate-forme 3 au moyen d'un palier 32 et dont l'extrémité supérieure est montée rotative dans un réducteur de vitesse 33 commandé par un moteur 34. Ce moteur, dont la vitesse est également régulée et qui présente éventuellement aussi des dispositifs de commutation, constitue un dispositif de commande de levage 35 au moyen duquel les trois organes de traction 15, 16 et 17 peuvent simultanément être enroulés ou déroulés du treuil 14, de sorte que le ppint de liaison commun 18 se déplace toujours sur l'axe de rotation vertical de la plate-forme 3.Il ressort de ce qui précède que le dispositif de commande de levage 35 tourne obligatoirement avec la plate-forme 3, laquelle est couverte en haut par un capot de recouvrement 36 qui est seulement représenté en pointillé. Sur ce capot est fixé également, de manière non représentée, le réducteur de vitesse 33, de sorte que les positions des paliers de l'arbre 31 sont fixées de façon univoque. La vue en plan de la figure 2 montre l'installation de trois dispositifs de commande de levage 35a, 35b et 35c, avec une répartition uniforme dans le sens circonférentiel, sur une plateforme 3 constituée également par un disque en forme de couronna circulaire. Ces trois dispositifs de commande de levage possèdent la même construction et comprennent chacun un arbre 13, un treuil 14, une roue tangente 29 et une vis sans fin commandée 30 L'arbre 13 de chacun des dispositifs, monté rotatif dans les supports ll et 12, est a peu près perpendiculaire à un plan s'étendant radialement par l'axe de rotation de la plate-forme 3 et passant a peu près par le centre de gravité du treuil 14 correspondant Les trois organes de traction 15, 16 et 17 s'étendent ici également vers un point de liaison commun 18 situé immédiatement au-dessus du porte-germe 19; de sorte qu'on obtient la suspension désirée par trois points du cristal.Les treuils 14 possèdent le mime diamètre et, en vue de l'entrainaraent synchrone, les vis 30 présentent un accouplement mutuel forcé, le quel est constitué avantageusement par une chaîne 37 qui passe autour des trois vis sans fin et qui est représentée an traits mixtes sur la figure 2. Il suffit alors de commander l'une des vis 30 de la manière représentée sur la figure 1 Pour les organes de traction 15, 15 > 16 et t7s on peut utiliser des chaînes à maillons, des chaînes à éléments sphériques oug de préférence, des cibles métalliques Cependant, alors que l'état de la technique utilise un seul cible - qui doit avoir une rigidité en torsion suffisante pour faire tourner la cristal et qui possède de ce fait également un moment de flexion considérable pour l'enrou- lament -, dans la disposition à plusieurs organes de traction selon l'invention, ceux-ci n ont pratiquement pas de couple de torsion à transmettre, de sorte que les câbles peuvent titre plus fins, donc également plus flexibles, ce qui facilite considérablement ltenroule- ment.Il devient par suite possible d'utiliser non seulement des câbles plus simples mais aussi des treuils avec de plus petits diamètres et des longueurs considérablement redites, de sorte que l'ensemble peut être construit de façon très compacte et sure, malgré l'utilisation de trois organes de traction. Le triangle dont il est question à différentes reprises dans le présent mémoire est bien entendu un moyen auxiliaire immatériel servant à la description de la position géométrique des organes de traction. Ce triangule, situé dans la plate-forme, définit par ses sommets trois points, par lesquels passent les axes longitudinaux des organes de traction entre le point de liaison commun et les treuils, ce qui donne la suspension par trois points décrite. Le triangle peut être, naturellement, un triangle dont les côtés sont inégaux; on s'efforcera cependant d'utiliser autant que possible un triangle équilatéral afin d'obtenir une distribution aussi uniforme que possible des efforts. Par ailleurs, le triangle ne possède pas du tout une position fixe par rapport à la plate-forme 3 dans le sens circonférentiel. Dans le cas d'une disposition comme celle de la figure 2 par exemple, lorsque les organes de traction (câbles) sont enroulés ou déroulés, le triangle pivote lentement par rapport a la plate-forme 3, mais à une vitesse angulaire si faible qu'elle est négligeable par rapport à la vitesse angulaire résultant de la rotation de la plate-forme 3 pendant le fonctionnement. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour tirer un monocristal d'un creuset par au moins un organe de traction ou d'extraction se laissant enrouler, en particulier par au moins un câble, à l'extrémité duquel disposée au-dessus du creuset est fixé un porte-germe et qui est relié à un dispositif de commande de levage installé sur une plateforme rotative autour de l'axe du cristal, caractérisé en ce qu'il comprend trois organes de traction (15, 16, 17)essentiellement de m8me longueur, qui s'étendent vers le bas en direction du porte germe(19)â partir'deys sommets d'un triangle situé dans la plateforme (3) et sont réunis à un point de liaison commun (18). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point de liaison (18) est situé dans la région du porte-germe (19). 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lrun (17) au moins des organes de traction comporte un dispositif de réglage de longueur (38). 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plate-forme (3) est réalisée comme un disque en forme de couronne circulaire avec une ouverture (3a) dont le diamètre est égal ou supérieur au diamètre du cercle circonscrit au triangle. 5 - Dispositif selon là revendication 1, caractérisé en ce que la plate-forme (3) porte un arbre horizontal commandé (13) sur lequel est disposé mobile longitudinalement un tambour d'enroulement ou treuil (14) où peuvent s'enrouler les trois organes de traction (15, 16, 17) dont l'un (17) au moins est déporté latéralement par une poulie de renvoi (20). 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que trois tambours d'enroulement ou treuils (14) sont disposés sur la plate-forme (3), en étant répartis mutuellement dans le sens circonférentiel, et sont commandés de façon synchrone quant à leurs vi tesses d'enroulement.