Brevet FR2855513A1 — publié le 20041203

L'invention concerne un procédé pour la fabrication d'un creuset de SiO2 vitrifié du côté interne. Des corps façonnés en SiO2 amorphe poreux sont 5 employés dans de nombreux domaines techniques. Citons à titre d'exemples les matériaux filtrants, les matériaux calorifuges ou les écrans de chaleur. Par ailleurs, on peut fabriquer des corps façonnés de SiO2 par frittage et/ou fusion de silices fondues de tout 10 type. Des corps façonnés de SiO2 très purs à pores ouverts peuvent servir, par exemple, de "préforme" pour des fibres de verre ou des fibres optiques. Par ailleurs, on peut aussi fabriquer de cette façon des creusets pour le tirage de monocristaux, en 15 particulier de monocristaux de silicium. Si les silices fondues à préparer doivent présenter une pureté extrême en ce qui concerne tout type d'atomes d'impuretés, l'utilisation de gaz chauds ou de surfaces de contact chaudes conduit à une 20 contamination indésirable de la silice fondue à fritter et/ou fondre par des atomes d'impuretés. Par conséquent, réduire ou empêcher la contamination par des atomes d'impuretés n'est en principe possible que par un chauffage non thermique 25 sans contact au moyen d'un rayonnement. On connaît par le dépôt de brevet DE 10158521 du 29 novembre 2001 du même déposant un procédé dans lequel un compact vert de SiO2 amorphe à pores ouverts est fritté ou vitrifié dans des régions partielles ou complètement par un 30 chauffage sans contact en utilisant un laser à CO2 et on évite de cette façon une contamination par des impuretés. Etant donné qu'on opère dans ce procédé à la pression normale, il peut se former des bulles de gaz au cours du frittage ou de la vitrification dans 35 les régions vitrifiées. Dans le fascicule de brevet DE 10260320 du 20 décembre 2002, ce problème est résolu de façon telle que le compact vert de Sio02 amorphe à pores ouverts est fritté ou vitrifié dans des régions partielles ou complètement par chauffage sans contact, en utilisant un laser à C02 et en appliquant un défaut de pression inférieur à 1000 bars. Les creusets disponibles actuellement dans le commerce, utilisés pour le tirage de monocristaux de silicium selon le procédé de Czochralski, présentent un diamètre de 14 à 36 pouces. Mais le diamètre du 10 foyer de gaine du rayon laser à C02 dans le procédé décrit présente une taille essentiellement plus petite. Il en résulte que, pour une vitrification du côté interne, on ne peut pas chauffer en même temps la totalité de la surface interne du creuset jusqu'à 15 vitrification. Au lieu de cela, il est nécessaire d'effectuer un balayage, c'est-à-dire d'appliquer un procédé de déplacement en continu le foyer de la gaine du laser sur la totalité de la surface interne du creuset. Ce faisant, les domaines plus chauds et plus 20 froids du creuset se trouvent côte à côte. Cela entraîne souvent une fissuration. Le but de la présente invention est de fournir un procédé pour la fabrication d'un creuset de Si02 vitrifié du côté interne, dans lequel on fritte un 25 creuset de compact vert de SiO2 amorphe à pores ouverts, vitrifié du côté interne, en utilisant un foyer de gaine d'un rayon laser à C02, qui permet d'éviter la fissuration dans le creuset. Le problème a été résolu de façon telle que le 30 foyer de gaine du laser se déplace au cours de l'ensemble de l'opération de frittage par rapport au creuset, le frittage débute sur le bord interne supérieur du creuset de compact vert de SiO2 au moyen d'un foyer de gaine ponctuel et se poursuit en 35 élargissant le foyer de gaine du laser ponctuel jusqu'à l'obtention de la taille recherchée du foyer de gaine, le foyer de gaine passe sur le bord interne supérieur du creuset de compact vert de SiO2 jusqu'à ce le bord interne supérieur soit entièrement vitrifié et le foyer de gaine se déplace ensuite vers l'intérieur du creuset de compact vert de SiO2. Une arête statique entre la matière de creuset fondue et non fondue conduit souvent à une fissuration dans le creuset. Une arête statique se forme lorsque le creuset de compact vert de SiO2 ne se déplace pas au cours du frittage. Ce risque existe notamment au début 10 du processus de frittage. Par un agrandissement en continu du foyer de gaine au début du frittage, ainsi qu'en raison d'un mouvement relatif permanent entre le creuset et le foyer de gaine, on évite dans le procédé conforme à l'invention la formation d'une arête 15 statique entre la matière de creuset fondue et non fondue. Etant donné que la surface interne du creuset de compact vert de SiO2 est plus grande que la surface du foyer de gaine du laser sur le creuset, il est 20 nécessaire d'effectuer un balayage, c'est-à-dire un passage en continu sur la totalité de la surface du côté interne du creuset par le foyer de gaine. Essentiel à l'invention dans ce contexte est la formation simultanée d'une surface fermée sans 25 fissures par vitrification du compact vert et une augmentation de la résistance par amorce de frittage du tesson sans que le corps façonné soit contaminé ou sa géométrie initiale modifiée. La puissance du rayon laser est de préférence 30 comprise entre 3kW et 20 kW, de préférence entre 10 kW et 20 kW. La taille du foyer de gaine est de préférence comprise entre 2 cm et 20 cm, de préférence entre 8 cm et 20 cm. On effectue l'irradiation de préférence en 35 utilisant une puissance volumique du rayonnement de 50 W à 500 W par cm2, de manière particulièrement préférée de 100 à 200 W/cm2 et de manière tout à fait particulièrement préférée de 130 à 180 W/cm2. La puissance par cm2 doit être d'au moins tellement élevée que le frittage puisse avoir lieu. Le foyer de gaine est de préférence rond, mais en principe, il peut présenter n'importe quelle forme. On irradie le creuset de compact vert de SiO2 sur la totalité de la surface, par exemple en le déplaçant en continue à l'aide d'un robot. Le mouvement du robot détermine le déplacement du foyer de gaine sur le 10 creuset. Par exemple, on peut décrire le déplacement de façon suivante, les valeurs indiquées pouvant s'appliquer de préférence à un système de laser à CO2 avec une puissance de sortie comprise entre 3 kW et 20 kW et un diamètre du foyer de gaine variable entre 2 15 cm et 20 cm à l'aide d'une optique télescopique. Un creuset rotatif (vitesse angulaire de 0,1 /s à 0,7 /s) qui n'est pas en contact avec le rayon laser, est conduit dans le rayon laser de façon telle que, en débutant avec un rayon ponctuel au bord du 20 côté interne du creuset, la largeur du foyer voulue est atteinte en un quart de tour. Si l'on doit vitrifier une partie ou la totalité du bord supérieur de la paroi du creuset, il est nécessaire qu'une petite partie du diamètre du foyer de gaine soit 25 couverte par celui-ci. Le taux en pourcentage dépend aussi bien de la taille du foyer de gaine que de l'épaisseur de la paroi du creuset et du domaine à vitrifier voulu. L'élargissement du rayon laser à sa largeur du 30 foyer de gaine voulue est effectué de préférence en un quart de tour jusqu'à un tour complet du creuset de compact vert, de manière particulièrement préférée, en un quart à une moitié de tour du creuset de compact vert, de manière tout à fait particulièrement 35 préférée, en un quart de tour du creuset de compact vert. Ensuite le creuset tourne, tout en conservant la distance constante entre le foyer de gaine du laser et le bord supérieur du creuset, avec une vitesse angulaire comprise entre 0,1 /s bis 0,7 /s, jusqu'à ce qu'un tour complet (360 ) soit effectué. Ensuite, en 5 descendant, de préférence sous forme d'une vis, le reste de la surface interne est irradié en partant du bord du creuset vers le centre du fond du creuset en couvrant la totalité de la surface. De préférence, le foyer de gaine se déplace en continu dans le creuset 10 de compact vert de SiO2 de façon telle que le frittage est réalisé ensuite directement dans la partie déjà frittée du creuset. La vitesse de rotation et le déplacement dans un plan, dans lequel se trouve l'axe de symétrie du creuset, sont alors accélérés de façon 15 telle que la surface affleurée par la foyer de gaine reste en moyenne constante dans le temps. Afin d'obtenir finalement une profondeur aussi uniforme que possible de la vitrification du côté interne de la totalité du creuset, le chevauchement des différentes 20 pistes doit être compris de préférence entre 0 et %, de manière particulièrement préférée entre 10 et 30 %. La vitesse angulaire du creuset, au cours du frittage du fond du creuset, peut même être supérieure à 0,7 /s, mais elle est limitée vers le haut par le 25 fait qu'on vise à obtenir, de préférence, une profondeur uniforme de vitrification. Bien entendu, il est en principe également possible d'irradier un creuset de compact vert de SiO2 immobile de façon analogue par un rayon laser rotatif 30 ou aussi pivoter en même temps le creuset et le rayon laser dans le même sens ou dans le sens opposé, tant que le creuset et le rayon laser se déplacent l'un par rapport à l'autre au cours de l'ensemble de l'opération de frittage. Dans le cas de la présente invention on entend par frittage également la vitrification du compact vert. Le frittage de la surface du compact vert de SiO2 est effectué à une température comprise entre 1000 et 2500 C, de préférence entre 1300 et 1800 C, de manière particulièrement préférée entre 1400 et 1600 C. Ce faisant, on évite de préférence une abrasion locale de SiO2 par évaporation. Par conduction de la chaleur à partir de la surface chaude vers l'intérieur du corps façonné, on peut obtenir à des températures supérieures à 1000 C, un frittage de partiel à complet du corps façonné de 10 SiO2 à travers la couche interne vitrifiée vers l'extérieur. Dans un mode de réalisation préféré, on maintient le creuset de compact vert de SiO2 à fritter ou à vitrifier sous pression réduite ou sous vide au 15 cours de la totalité du processus. Si l'on opère sous pression réduite, la pression est inférieure à la pression normale de 1013,25 mbars, de manière particulièrement préférée elle est comprise entre 0,01 et 100 mbars, de manière tout à fait 20 particulièrement préférée entre 0,01 et 1 mbar. Au cours d'un frittage sous pression réduite, la puissance du laser nécessaire est plus faible de 0 à 50 %, de préférence comprise entre 10 et 30 %, car l'encapsulation de l'échantillon dans la chambre à 25 vide a pour conséquence un échange énergétique plus faible avec le milieu environnant. Dans un autre mode de réalisation préféré, on peut aussi opérer sous vide, afin de produire une couche de verre absolument exempte de bulles de gaz. Dans un autre mode de réalisation, on peut maintenir le creuset de compact vert de Sio2 au cours de l'ensemble du processus sous une atmosphère de gaz. Si le gaz ou les gaz peuvent diffuser dans le verre fondu, cela conduit à une nette diminution des bulles 35 de gaz. En tant que gaz à cet effet convient en particulier une atmosphère d'hélium, car l'hélium peut diffuser particulièrement aisément dans le verre fondu. Bien entendu, on peut aussi employer une combinaison d'atmosphère de gaz et d'une pression réduite. Pour ce faire, on préfère en particulier une atmosphère d'hélium réduite. Ci-après, l'invention est décrite à l'aide de deux exemples. Exemple i: Préparation d'un compact vert de SiO2 de 14", à pores ouverts, sous forme de creuset On réalise la préparation en s'appuyant sur le 10 procédé décrit par le fascicule de brevet DE- A119943103. On disperse dans H20 bidistillée, sous vide, à l'aide d'un mélangeur revêtu de matière plastique, du quartz enfumé et de la silice vitreuse très purs de 15 manière homogène, sans bulles et sans contamination métallique. La dispersion ainsi préparée présente une teneur en matières solides de 86 % en masse (95 % de silice vitreuse et 5 % de quartz enfumé) . La dispersion est mise en forme à l'aide du procédé à la 20 machine à rouleau, largement répandu en industrie de la céramique, dans un moule externe revêtu de matière plastique en obtenant un creuset de 14". Au bout d'une amorce de séchage pendant 1 heure à une température de 80 C, on démoule le creuset et on sèche dans un four à 25 micro-ondes à une température d'environ 90 C en l'espace de 2 heures. Le creuset séché, à pores ouverts, présente une épaisseur d'environ 1,62 g/cm3 et une épaisseur de parois de 9 mm. Exemple 2: Vitrification du côté interne du creuset de 30 compact vert de 14" de l'Exemple 1 On irradie le creuset de compact vert de 14" par un laser à C02 avec une puissance d'irradiation comprise entre 8 kW et 12 kW, on le conduit à l'aide d'un robot à six axes. Le laser est muni d'une optique 35 télescopique qui fournit un rayon laser parallèle avec un diamètre compris entre 0,08 m et 0,12 m. Le robot est piloté au moyen d'un programme adapté à la géométrie du creuset. Pour le creuset rotatif (vitesse angulaire de 0,38 /s), c'est d'abord le creuset qui n'est pas contacté par le rayon laser qui est conduit 5 en un quart de tour dans le rayon laser de façon telle que le côté interne du creuset soit irradié par 90 % de son diamètre. 10 % des rayons laser atteignent le bord supérieur du creuset ou manquent le creuset (voir Figure la, piste 1). Dans la partie restante de la 10 piste 1, le foyer de gaine du laser passe sur le creuset à cette distance dans un domaine angulaire de 270 avec une vitesse angulaire de 0,380/s. Ensuite on change la position du foyer de gaine dans un domaine angulaire de 90 de la piste 1 pour la piste 2 (Figure 15 lb). Ensuite, le laser passe sur le creuset avec la distance constante du foyer de gaine de laser par rapport au bord supérieur du creuset dans un domaine angulaire de 270 avec une vitesse angulaire de 0,38 /s. Cette opération se poursuit de façon telle 20 (Figures lc à le) que le reste de la surface interne est balayé sous forme d'une vis à partir de bord du creuset vers centre du fond du creuset sur la totalité de la surface, en adaptant l'angle de rotation (d) (Figure lc à le). Ce faisant, la vitesse de rotation 25 et le déplacement dans un plan, dans lequel se trouve l'axe de symétrie du creuset, sont accélérés de façon telle, que la surface traversée par le foyer de gaine soit en moyenne constante dans le temps. En raison de la géométrie du creuset, l'angle 30 d'incidence du rayonnement laser à la surface du corps au cours du traitement du creuset n'est pas constant (voir Figure la à le). La variation de l'angle d'incidence en tant que grandeur de procédé est compensée par la grandeur de procédé puissance du 35 laser de façon telle, qu'on obtienne une vitrification uniforme du côté interne du creuset. On obtient dans la même étape du procédé, au côté de la vitrification de la surface interne du creuset, une amorce de frittage du tesson par conduction de la chaleur de la surface chaude du corps par le tesson. Après le traitement par le laser, le 5 creuset de SiO2, tout en conservant sa géométrie d'origine, est vitrifié sur la totalité de la surface interne et sans fissures dans une épaisseur d'environ 2 mm et le tesson est fritté par amorce. Le retrait qui apparaît au cours de la vitrification ne modifie 10 pas la géométrie du creuset, mais l'épaisseur de la paroi et de ce fait indirectement, la géométrie interne. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication d'un creuset de SiO2 vitrifié du côté interne sans fissures, dans lequel un creuset de compact vert de Sio2 amorphe 5 à pores ouverts est fritté au moyen d'un foyer de gaine d'un rayon laser à C02, caractérisé en ce que le foyer de gaine se déplace par rapport au creuset, en débutant le frittage sur le bord interne du creuset de compact vert de SiO02 au moyen d'un foyer de gaine 10 ponctuel et en poursuivant par un élargissement du foyer de gaine ponctuel jusqu'à l'obtention de la largeur du foyer de gaine voulue, le foyer de gaine effectue le passage sur le bord supérieur interne du creuset de compact vert de SiO2 jusqu'à ce que le bord 15 interne supérieur soit complètement vitrifié et ensuite le foyer de gaine se déplace dans le creuset de compact vert de SiO2 vers l'intérieur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon laser a une puissance 20 comprise entre 3 kW et 20 kW, de préférence comprise entre 10 kW et 20 kW, et la taille du foyer de gaine est comprise entre 2 cm et 20 cm, de préférence entre 8 cm et 20 cm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 25 2, caractérisé en ce qu'on effectue l'irradiation par une puissance de 50 W à 500 W par centimètre carré, de manière particulièrement préférée de 100 à 200 W/cm2, et de manière tout à fait préférée de 130 à 180 W/cm2. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le creuset de compact vert de SiO2 est irradié sur la totalité de la surface. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 35 l'élargissement du rayon laser à la taille du foyer de gaine voulue est effectué en un quart de tour jusqu'à un tour complet du creuset de compact vert, de préférence en un quart à une moitié de tour du creuset de compact vert, de manière particulièrement préférée, en un quart de tour du creuset de compact vert. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi interne du creuset est irradiée avec une vitesse angulaire de 0, 1l /s à 0,7 /s. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le creuset de compact vert de SiO2 tourne, tout en maintenant une distance constante du foyer de gaine par rapport au bord supérieur du creuset, jusqu'à ce qu'il effectue un tour complet (360 ) et ensuite le reste de la 15 surface interne du creuset est balayé sur la totalité de la surface, de préférence sous forme d'une vis, en partant du bord du creuset et en allant vers le centre du fond du creuset, le foyer de gaine se déplace en continu dans le creuset de compact vert de SiO2. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le frittage du compact vert de SiO2 est réalisé à une température comprise entre 1000 et 2500 C, de préférence entre 1300 et 1800 C, de manière 25 particulièrement préférée entre 1400 et 1600 C. 9. Procédé selon la revendication 1 ou l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le creuset de compact vert de SiO2 est maintenu sous pression réduite ou sous vide. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le creuset de compact vert de SiO2 est maintenu sous une pression de 0,01 et 100 mbar, de manière tout à fait particulièrement préférée entre 0,01 et 1 mbar.