FR2473072A1 - Procede et appareil de formation de rubans par cristallisation et de reduction de la quantite d'impuretes de tels rubans, et rubans cristallins a bords contenant des fils - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LE TIRAGE DE RUBANS MONOCRISTALLINS. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE ET UN APPAREIL SELON LESQUELS DES FILS 34, PAR EXEMPLE DE CARBURE DE SILICIUM, SONT TIRES VERTICALEMENT OU EN DIRECTION INCLINEE DANS UN BAIN 36 DE SILICIUM LIQUIDE PAR EXEMPLE, SI BIEN QUE LES BORDS 35 DU RUBAN 38 DE SILICIUM MONOCRISTALLIN TIRE SONT STABILISES, LA SOLIDIFICATION ETANT EFFECTUEE A UNE INTERFACE 40 QUI SE TROUVE JUSTE AU SOMMET D'UN MENISQUE. APPLICATION A LA FABRICATION DE RUBANS DE SILICIUM MONOCRISTALLIN POUR DISPOSITIFS A SEMI-CONDUCTEURS ET CELLULES SOLAIRES.

Description

La présente invention concerne la formation con-

tinue par croissance de corps cristallins provenant d'une

matière fondue et plus précisément un système de crois-

sance automatique de ruban stabilisé par des fils.

Une des applications les plus importantes de la

croissance des cristaux est le domaine des matériaux for-

mant les substrats semi-conducteurs. Ces matériaux sont dis-

poniblessous forme de rubans, les rubans formés par crois-

sance étant constitués d'une matière monocristalline ou polycristalline à gros grains. Les rubans, habituellement

formés de silicium ont de vastes applications dans l'indus-

trie des semi-conducteurs et sont particulièrement bien

adaptés a la formation de substrats de cellules solaires.

La littérature décrit plusieurs procédés de croissance d'un ruban cristallin à partir d'une matière fondue. Selon un premier procédé, un effet capillaire est

utilisé pour l'avance de la matière fondue dans une fi-

lière qui donne sa forme au ruban qui est formé par crois-

sance. Le réglage de ce procédé nécessite le réglage de

l'extraction de chaleur de la surface du ruban, de la vi-

tesse de tirage, de la température moyenne de la filière et de la répartition précise des températures le long de

toute la filière et plus précisément à ses bords. Ce pro-

cédé a pour défaut principal un manque de stabilité de la

croissance puisque la position des bords du ruban est dif-

ficilement réglable et le ruban se "solidifie" souvent sur la filière lorsque la température de celle-ci ou un autre

paramètre de la croissance varie temporairement.

Un autre problème posé par cette technique est que toute matière qui s'écoule dans la filière s'incorpore au ruban solidifié.Cette matière contient des impuretés, les concentrations d'impuretés peuvent être inacceptables dans le ruban solidifié. Au contraire, lors du tirage d'un

ruban directement à partir d'une matière fondue, les im-

puretés ont tendance à se rassembler à.l'interface de la

matière fondue et du ruban solidifié, si bien que les im-

puretés sont rejetées dans la matière fondue et ne sont pas 247Zb72 incorporées au ruban solidifié. Comme l'utilisation d'une filière empêche partiellement une telle concentration des impuretés, le tirage d'un ruban directement à partir d'une

matière fondue est préférable.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 129 061 décrit un autre procédé de croissance d'un ruban, appelé "procédé de croissance dentritique en nappe". Au cours de

ce procédé, des dentrites qui sont formées de la même ma-

tière que le ruban, croissent dans une matière surfondue au niveau des bords du ruban et stabilisent la position

de ces bords. Le problème principal posé par cette tech-

nique est le réglage de température extrêmement précis

qui est nécessaire à l'entretien de la croissance dentri-

tique au niveau des bords du ruban, avec l'entretien de la

croissance classique le long de la "nappe" formant le ru-

ban. On peut consulter aussi l'article "Thermal Analysis of Solidification in Web-Dentritic Ribbon Growth", de Harrill, Rhodes, Faust, et Hilborn, Journal of Crystal Growth, vol. 44, p. 34-44, 1978. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 3 298 795, 3 031 403 et 3 370 927 décrivent aussi d'autres techniques de croissance dentritique de nappe. Le dernier brevet cité concerne notamment le tirage

de cristaux dentritiques continus en direction inclinée.

En outre, l'article de Theodore F. Ciszek et Guenter H. Schwuttke, "Inexpensive Silicon Sheets for Solar Cells", NASA Tech Briefs, février 1977, p. 432-433 décrit

une technique de croissance de silicium formant une struc-

ture de support. Lors de la mise en oeuvre de cette tech-

nique, un écran de graphite est plongé dans un bain de silicium liquide et est ensuite tiré hors du bain. Il se forme un film ou une feuille de silicium liquide ayant un dessin déterminé et qui se solidifie dans la grille en

formant une matière semi-cristalline composite texturée.

Il faut noter que la technique décrite dans cet article de Ciszek, n'est pas une technique de croissance cristalline puisque le silicium est d'abord saisi par effet capillaire dans la grille de graphite et est alors maintenu jusqu'à ce qu'il se solidifie. Cette technique diffère donc de la croissance d'un ruban à partir d'une matière fondue, dans laquelle la cristallisation a lieu à la face de la matière fondue lors du retrait du ruban. Lors de la croissance d'un ruban, il existe en général des limites de grainsqui sont perpendiculaires au plan du ruban alors que, dans la technique décrite dans l'article de Ciszek, il se forme en général des limites de grainsd'orientation quelconque et

qui forment des pièges disposés aléatoirement, pour les im-

puretés formant des porteurs si bien que les performances desdispositifs formés sont peu uniformes. La technique de Ciszek donne aussi des dimensions de grains beaucoup trop

faibles et une nappe centrale non uniforme qui est pertur-

bée par la structure en forme de grille. Etant donné l'uti-

lisation de la grille, le produit obtenu par mise en oeuvre de cette technique n'est pas une feuille plate et, si la grille enrobée dans le ruban semi-conducteur n'est pas

placée avec une grande précision, les jonctions p-n for-

mées par diffusion peuvent être en court-circuit.

Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 639 718

et 3 865 554 décrivent des exemples de fours connus utili-

sés pour la croissance cristalline. Ces deux brevets dé-

crivent des fours convenant à une croissance cristalline

discontinue par mise en oeuvre du procédé de Czochralski.

Ces fours sont destinés à la mise en oeuvre d'opérations nécessitant un contrôle très précis pendant le tirage des cristaux et ils ne sont pas destinés ou adaptés à une croissance d'un ruban continu. Plus précisément, ces fours sont destinés à assurer la croissance cristalline à des températures maintenues à + 0,10C, l'inspection visuelle

et le réglage automatique étant indispensables pour l'ob-

tention de propriétés cristallines uniformes.

Selon l'invention, un ruban ayant une nappe

centrale sans interruption est formé directement par crois-

sance à partir de la matière fondue, les positions des bords étant déterminées et stabilisées par des fils ou brins mouillés se déplaçant de façon continue et parallèlement

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dans la matière fondue. Pendant le procédé d'étirage du ruban, les brins sont incorporés dans le ruban formé lorsqu'il se solidifie. Ces brins ou fils, contrairement aux dentrites, sont formés d'une matière différente de celle du bain fondu. Par exemple, lors de la croissance de rubansde silicium, des fils de carbone, de carbure de

silicium ou de quartz sont avantageux et ils sont de pré-

férence mouillés par la matière fondue. Il faut noter que

les fils précités correspondent à toute une plage de mouil-

labilité si bien que la quantité de matière fixée aux fils peut varier avec néanmoins incorporation finale du fil

dans le ruban solidifié.

Dans la mise en oeuvre de ce procédé de crois-

sance stabiliséepar des fils, la forme d'un ménisque qui dépend de la tension superficielle est définie à la partie inférieure par la matière fondue, à la partie supérieure

par l'interface de la matière avec le cristal qui se for-

me, et sur les bords par les fils mouillés. Les paramètres

qui doivent être réglés dans cette opération sont la vi-

tesse de tirage, la vitesse d'extraction de chaleur des surfaces du ruban et la température moyenne de la matière fondue. Etant donné la définition des bords induite par effet capillaire, le réglage précis de la matière fondue aux bords du ruban par rapport à son centre n'est pas

nécessaire.

Selon l'invention, des rubans stabilisés par des fils peuvent être formés pour une très large plage d'angles

par rapport à la surface de la matière fondue. La crois-

sance effectuée avec un angle relativement faible par rap-

port à la matière fondue a pour avantage principal d'ac-

croître la surface de l'interface de solidification si bien

que la vitesse maximale de croissance qui peut être uti-

lisée est accrue.

L'introduction continue du fil dans la matière fondue peut être assurée par diverses technique. Dans un mode de réalisation, un creuset a de petites ouvertures à sa partie inférieure pour le passage des fils, la tension superficielle de la matière fondue suffisant habituellement pour contrecarrer les forces de gravité et pour retenir la matière fondue dans le creuset en empêchant les fuites par les ouvertures. Les fuites dues à la pesanteur peuvent aussi être empêchées par l'application d'un gaz sous pres-

sion ou des forces électromagnétiques destinées! contre-

balancer les forces de pesanteur exercées par le liquide.

Le transport des impuretés des fils à la matière fondue est maîtrisé soit par réduction au minimum du temps

pendant lequel les fils sont immergés dans la matière fon-

due soit par solidification de la matière fondue autour des fils lorsqu'ils pénètrent dans la matière fondue si bien que les impuretés sont maintenues par solidification et sont confinées aux régions occupées par les fils. La technique de solidification peut être mise en oeuvre par circulation d'un courant électrique dans les fils, et à l'interface du fil et de la matière fondue puis dans la

matière fondue, avec formation d'une jonction thermoélec-

trique à effet Peltier, entre le fil et la matière fondue,

assurant un refroidissement localisé par effet Peltier.

Contrairement aux appareils de formation de rubans qui mettent en oeuvre une filière, lors du tirage d'un ruban directement à partir d'une matière fondue, une partie importante des impuretés présentes dans la matière

fondue sont rejetées dans cette dernière pendant la soli-

dification car elles sont chassées du ruban lorsque celui-

ci se solidifie à l'interface du ruban et de la matière fondue. Dans le cas d'un système sans renouvellement, si ce comportement se maintient pendant un certain temps, la

concentration des impuretés augmente dans la matière fondue.

Selon l'invention, la concentration des impuretés de la matière fondue, à l'emplacement de croissance du

cristal, est rendue minimale par agitation électromagné-

tique et déversement de la matière fondue afin que la con-

centration des impuretés présentes dans le ruban soit

réduite. Dans un mode de réalisation, la réduction au mi-

nimum de la quantité d'impuretés introduites dans le ruban à partir de la matière fondue est obtenue par entretien

d'un courant constant de matière fondue, perpendiculaire-

ment au plan du ruban qui se forme. De cette manière, les

phénomènes de convection et de diffusion permettent l'en-

traînement des impuretés qui sont rejetées à l'interface de croissance. En outre, étant donné la ségrégation des impuretés à l'interface de croissance, provoquant une concentration des impuretés dans la matière fondue et non dans le ruban, un déversement ou un entraînement continu de la matière fondue réduit efficacement la concentration des impuretés dans le ruban. L'entraînement d'une partie de la matière fondue réduit la concentration des impuretés présentes dans cette matière à l'intérieur du creuset et provoque ainsi la formation d'un ruban solidifié ayant une

plus faible concentration d'impuretés.

Un four permet la croissance automatique d'un ruban continu, un réglage précis de température ou une inspection visuelle n'étant pas nécessaire, des variations

de température pouvant atteindre 100C pouvant être tolé-

rées. Le four comporte un creuset porté par des plots,

des plots choisis disposés en regard ayant des axes des-

tinés à se loger dans des fentes radiales formées au fond

du creuset et permettant ainsi la dilatation et la con-

traction thermique du creuset tout en maintenant sa posi-

tion angulaire. Un tube central de positionnement est

destiné à maintenir le centre du creuset en position con-

venable dans le four. Dans un mode de réalisation, un ther-

mocouple est convenablement disposé à une première extré-

mité du tube de positionnement et permet le contrôle de

la température du creuset.

Des tiges de chauffage traversent la base du creuset et permettent une transmission plus efficace et facile à régler de l'énergie à la matière fondue que par

utilisation d'éléments classiques de chauffage qui en-

tourent le creuset. Dans un mode de réalisation, les ex-

trémités des tiges de chauffage peuvent coulisser par rapport à des blocs de contact électrique placés de part

et d'autre du creuset, ce coulissement permettant la com-

pensation de la dilatation et de la contraction thermique des tiges. En outre, les défauts d'uniformité du profil de température de la matière fondue peuvent être corrigés par modification de la dimension et de la configuration des

tiges individuelles de chauffage.

Des tubes d'introduction de filssont montés à des points d'introduction de filsau fond du creuset et sont destinés à empêcher les fuites de matière fondue en ces points, par effet capillaire. La solidification de la matière fondue dans un tube est évitée par disposition du tube dans une cavité formée dans le creuset, la partie inférieure du creuset entourant le tube, celui-ci étant chauffé par les radiations provenant des parois du creuset qui l'entourent. Des tubes de guidage ou de positionnement

de filssont placés au-dessous du creuset, dans l'aligne-

ment du tube d'introduction de filsafin que cette intro-

duction soit facilitée.

Un tube d'entraînement de matière fondue -permet l'extraction réglée ou le déversement de la matière fondue lors du renouvellement de celle-ci. Ce retrait est réglé, dans différents modes de réalisation, par solidification et fusion sélective de la matière fondue qui se trouve dans

le tube, par effet capillaire, ou par aspiration contrôlée.

La planéité du ruban peut être préservée dans le cas d'une croissance en direction inclinée, grâce à un organe mouillé de stabilisation, ayant un bord rectiligne et placé dans la matière fondue, cet organe réglant la forme du ménisque et empêchant la courbure ou le bombement du ruban. Dans un mode de réalisation mettant en oeuvre une

surface inclinée et dans lequel des fils sont tirés verti-

calement à travers une surface inclinée le long de la-

quelle s'écoute la matière fondue qui a été pompée, un changement net de direction d'écoulement de la matière fondue empêche la courbure ou le bombement du ruban. La matière fondue est pompée vers la partie supérieure de la surface inclinée, dans un mode de réalisation, par

pompage électromagnétique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la-descrip-

tion qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma illustrant un procédé connu de formation d'un ruban par croissance à l'aide d'une filière qui fait remonter de la matière fondue d'un bain; la figure 2 est une perspective schématique avec des parties arrachées illustrant la mise en oeuvre d'un procédé connu de croissance dentritique lors de la formation d'une nappe; la figure 3 est une perspective schématique avec des parties arrachées d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel la définition des bords est due à l'utilisation de brins ou fils mouillés; la figure 4 est un schéma illustrant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, par utilisation d'un cristal germe lors de l'amorçage;

les figures 5A à 5D sont des schémas représen-

tant une croissance cristalline suivant diverses incli-

naisons par rapport à la verticale, dans le cas de la mise en oeuvre d'un support par des fils; la figure 6 est une coupe schématique illustrant un procédé d'introduction des fils dans lequel une poulie ou un dispositif analogue de changement de direction est placé dans la matière fondue; la figure 7 est une coupe illustrant un autre

procédé d'introduction de fils, selon lequel un fil pé-

nètre dans la matière fondue par une ouverture formée au fond du creuset, la matière étant retenue par les forces de tension superficielle; la figure 8 est une coupe schématique illustrant l'avance des fils et la retenue de la matière fondue par mise en oeuvre d'une chambre sous pression, destinée à contrebalancer l'effet des forces de pesanteur; la figure 9 est une coupe illustrant l'avance

des fils et la retenue de la matière fondue par applica-

tion de forces électromagnétiques qui compensent l'effet du courant induit par la pesanteur la figure 10 est un schéma illustrant la mise en oeuvre de la solidification de la matière fondue par

effet thermoélectrique, provoquant un piégeage des impu-

retés au niveau des fils; la figure 11 est une perspective schématique

avec des parties arrachées illustrant le réglage des im-

puretés, lors de l'utilisation d'une agitation électro-

magnétique combinée à un entraînement de matière fondue;

la figure 12 est une perspective avec des par-

ties arrachées d'un mode de réalisation de four destiné à assurer la croissance d'un ruban, avec stabilisation par des fils; les figures 13A à 13F sont des perspectives, certaines sous forme éclatée, de l'ensemble formant le

creuset du four de la figure 12, partiellement ou totale-

ment monté; la figure 14 est une coupe partielle représentant l'appareil d'introduction de fils et de tirage du ruban

la figure 15 est une coupe d'un tube de posi-

tionnement de fil destiné au four de la figure 12; la figure 16 est une coupe schématique d'une tige de chauffage et d'un bloc de connexion destinés au four de la figure 12; la figure 17 est une coupe schématique d'un tube d'introduction de fil entouré par les parois du creuset, si bien que la solidification de la matière fondue dans le tube d'introduction de fil est évitée;

les figures 18, 19 et 20 représentent des flas-

ques influant sur la forme du ménisque et empêchant le grimpement de celui-ci;

la figure 21 est une coupe schématique illus-

trant le réglage du déversement de la matière fondue par aspiration;

la figure 22 est une coupe schématique repré-

sentant un tube capillaire utilisé pour le réglage du déversement de la matière fondue; la figure 23 est une perspective schématique représentant les conditions de croissance d'un ruban vertical;

les figures 24 et 25 sont des schémas représen-

tant les conditions de croissance en direction inclinée, et indiquant notamment la mesure de la hauteur et de la courbure du ménisque; la figure 26 représente schématiquement la forme en rigole prise par le ruban lors d'une croissance en direction inclinée; la-figure 27 représente schématiquement l'effet de la planéité du ruban sur les changements de rayons du

ménisque; -

les figures 28A et 28B représentent schématique-

ment l'effet du montage d'un dispositif de stabilisation dans la matière fondue, destiné à faciliter la croissance d'un ruban plat; la figure 29 est une perspective schématique d'un organe mouillé de stabilisation destiné à empêcher

la courbure ou le bombement du ruban pendant une crois-

sance en direction inclinée; les figures 30A et 30B représentent la fixation du ménisque inférieur à l'organe mouillé de stabilisation; la figure 31 est une coupe schématique illustrant la mise en oeuvre d'une technique de croissance de ruban sur une surface inclinée, mettant en oeuvre une surface inclinée séparée; la figure 32 est une coupe schématique illustrant une technique de croissance de ruban sur surface inclinée qui est solidaire du creuset; la figure 33 est une coupe schématique illustrant

une technique de croissance sur surface inclinée, corres-

pondant à l'utilisation d'une discontinuité du courant per-

mettant la croissance d'un ruban plat la figure 34 est une coupe schématique agrandie

d'une partie de la figure 33, représentant la région voi-

sine de la discontinuité du courant; les figures 35 et 36 sont des coupes schématiques correspondant à deux variantes de procédésde formation de discontinuités d'écoulement, destinés à la mise en oeuvre de la technique de croissance sur une surface inclinée, décrite en référence aux figures 31 et 32; et la figure 37 est une coupe schématique illustrant

la mise en oeuvre d'un pompage électromagnétique de la ma-

tière fondue, dans le procédé décrit en référence à la

figure 31.

La figure 1 illustre la mise en oeuvre d'un pro-

cédé connu de formation d'un ruban cristallin par crois-

sance, à l'aide d'une filière 10 comprenant des organes

distants il délimitant entre eux une fente capillaire 12.

Les forces de tension superficielle font avancer la ma-

tière fondue qui remonte dans la fente 12 et un ruban 14 s'accumule au niveau d'un ménisque 16 formé à la sortie 18 de la filière. Au cours de cette opération d'accumulation d'un ruban, un certain nombre de paramètres doit être réglé

afin que le ruban se forme uniformément. En outre, d'au-

tres inconvénients d'utilisation d'une filière sont notam-

ment la difficulté de la stabilité de la croissance, du fait du déplacement des bords, et l'impossibilité de la concentration des impuretés dans la matière fondue lorsque

le ruban se forme.

Comme indiqué sur la figure 2, la stabilité des bords a été améliorée jusqu'à présent par utilisation de dentrites qui se forment à partir d'un germe 20 ayant une

partie 22 dépassant latéralement. L'utilisation de condi-

tions convenables de croissance permet la formation de

dentrites 24 sur les bords, avec une nappe centrale inter-

médiaire 26. La croissance latérale commence lorsque le

germe est plongé dans une matière fondue 28 qui est sur-

fondue, dans les positions auxquelles les dentrites doi-

vent se former. Dans un mode de réalisation, la matière fondue est du silicium liquide. Lorsque le tirage commence, les deux dentrites coplanaires croissent vers le bas dans la matière fondue à partir des extrémités du germe. La

matière fondue est tirée entre les dentrites par les for-

ces de tension superficielle et forme la nappe intermé-

diaire. La solidification de la nappe s'effectue au-dessus de la surface de la matière fondue alors que les dentrites

croissent au-dessous de la surface, la croissance des-

dentrites nécessitant la surfusion de la matière fondue aux bords du ruban. Comme indiqué précédemment, le problème principal posé par ce procédé est le réglage très précis de température nécessaire au maintien de la croissance dentritique aux bords du ruban, préservant la croissance

classique le long de la nappe.

Contrairement aux techniques connues décrites

en référence aux figures 1 et 2, l'invention, comme indi-

qué sur la figure 3, permet la formation d'un mince corps cristallin relativement large 30 directement à partir d'une matière fondue 32 de la même matière, les bords du ruban

étant définis par des fils mouillés 34 tirés dans la ma-

tière fondue. Lorsque le ruban se forme, les fils sont incorporés à celuici qui se solidifie, un mince film de matière fondue 35 se solidifiant autour des fils 34. La partie centrale du ruban est formée par l'effet capillaire du ménisque comme indiqué par la référence 36. La nappe ou le ruban 38 qui se forme est disposé entre les fils et se solidifie à l'interface 40. Il faut noter que, bien que la figure 3 représente un cas dans lequel le diamètre du fil est à peu près égal à l'épaisseur du ruban, la même technique peut être -utilisée pour la formation d'un ruban dont l'épaisseur est supérieure ou inférieure au diamètre

du fil.

La figure 4 montre comment la croissance com-

mence. Un germe 42 auquel des fils 34 sont fixés, est abaissé dans la matière fondue 32, au contact de celle-ci, et un ménisque est formé. La croissance commence lors du tirage des fils et du germe vers le haut. Il faut noter que l'ensemble formé par le germe et les fils peut être

un morceau d'un ruban préalablement tiré.

On considère maintenant en détail la croissance du ruban cristallin luimême. La croissance d'une mince feuille directement à partir de la matière fondue dépend d'une combinaison de contraintes géométriques et thermiques comme indiqué dans la suite. Les contraintes géométriques

sont imposées par la configuration géométrique du ménis-

que. Le rayon local de courburedu ménisque, le long de la face du ruban, est déterminé par un équilibre entre la pression induite par la pesanteur et la variation

de pression induite par la tension superficielle, à l'in-

terface liquide-gaz. L'équation de Laplace, appliquée en tous les points du ruban sauf à proximité des bords, donne R = y (Eq. 1) pgh R étant le rayon local de courbure du ménisque dans un plan perpendiculaire au ruban, y la tension superficielle du liquide, P la masse volumique du liquide, g la valeur locale de l'accélération de la pesanteur et h la hauteur d'un point au-dessus de la surface fondue. Le ménisque doit se raccorder à la surface de la matière fondue de façon continue c'est-à-dire que la pente doit être nulle à la surface. En outre, le ménisque doit se raccorder au

cristal qui se forme suivant un angle particulier, déter-

miné par les propriétés de la matière utilisée. Dans le

cas du silicium, cet angle est de l'ordre de 11 .

L'équation de Laplace et les deux conditions aux limites pour le ménisque peuvent être utilisées pour la détermination d'une expression représentant la hauteur

du ménisque, c'est-à-dire la hauteur de l'interface au-

dessus de la matière fondue, nécessaire pour que la crois-

sance s'effectue avec une épaisseur constante. Dans le cas de la croissance verticale du silicium, on a l'expression Hauteur du ménisque = 1,09 (Eq. 2) On peut trouver une expression analogue pour la croissance

d'un ruban de toute matière, pour un angle quelconque for-

mé avec la matière fondue.

Ainsi, la croissance à épaisseur constante et de façon permanente nécessite que le ménisque s'établisse lui-même à une hauteur très particulière pour chaque croissance. Un ménisque de plus grande hauteur provoque la formation d'un ruban d'épaisseur décroissante alors qu'un ménisque de plus faible hauteur donne une épaisseur

croissante.

Alors que le ménisque détermine la vitesse de variation de l'épaisseur du ruban, des considérations

thermiques déterminent essentiellement la hauteur du mé-

nisque elle-même. Un bilan énergétique valable de façon instantanée doit être respecté à l'interface, entre la chaleur transmise vers le haut dans le ménisque, à partir de la matière fondue, la chaleur de fusion dégagéepar la solidification du cristal à l'interface, et la chaleur

transmise vers le haut et dans le ruban à partir de l'in-

terface. La chaleur transmise le long du ménisque vers le haut dépend de la température de la matière fondue et de

la hauteur du ménisque. La chaleur de fusion dégagée dé-

pend essentiellement de l'épaisseur du ruban et de la vi-

tesse de croissance alors que la chaleur qui remonte dans le ruban dépend de l'épaisseur du ruban et du processus

d'extraction de chaleur à partir des surfaces du ruban.

Ainsi, le bilan énergétique instantané nécessaire à l'in-

terface correspond à une relation assez complexe entre

tous les paramètres relatifs à la croissance. Cette rela-

tion, combinée aux considérations géométriques indiquées

précédemment, fixe les conditions physiques de la crois-

sance du ruban à partir de la matière fondue.

* On peut montrer que le processus est stable pratiquement pour toutes les configurations. Dans le cas

d'une croissance en régime permanent, les critères géomé-

triques tels que les angles de fixation du ménisque, la courbure des surfaces du ménisque, etc. déterminent la hauteur du ménisque et en conséquence le-flux de chaleur qui remonte dans le ménisque pour une température donnée

de la matière fondue. Ainsi, l'épaisseur du ruban en ré-

gime permanent est fixé-essentiellement par interaction de la chaleur de fusion dégagée à l'interface et de la chaleur qui remonte dans le ruban, le système réagissant de manière stable par réglage de l'épaisseur du ruban

formé jusqu'à l'obtention de l'équilibre thermique conve-

nable. Cette discussion s'applique aussi bien à la crois-

sance verticale d'un ruban qu'à une croissance en direc-

tion inclinée par rapport à la matière fondue.

La largeur du ruban dépend évidemment de la

fixation capillaire aux fils de stabilisation des bords.

Cette fixation par les forces de tension superficielle permet l'utilisation de températures comprises dans une large plage, aux bords du ruban, car la position des bords

n'est plus déterminée essentiellement par des effets ther-

miques. Les fils contribuent aussi beaucoup à la stabilité du ruban lorsqu'il est formé en direction inclinée par

rapport à la verticale.

Les figures 5A à 5D sont des coupes schématiques représentant un ruban en cours de croissance pour différents angles formés par rapport à la matière fondue. Ces dessins approximativement à l'échelle correspondent à une matière correspondant à un angle de fixation 4'i du ménisque à la

matière solide de 30 . La figure 5A représente la crois-

sance verticale à partir de la matière fondue, la figure B la croissance avec un angle de 600 par rapport à l'hori- zontale,la figure 5C la croissance à un angle de 30 par rapport à l'horizontale,et la figure 5D la croissance à

un angle de 150 par rapport à l'horizontale.

Ces figures montrent comment les conditions aux limites de fixation du ménisque au cristal qui se forme peuvent être satisfaites, lors d'une croissance pour un angle quelconque par rapport à la matière fondue, en régime permanent. Il faut noter que, bien que les interfaces 40 soient représentées sous forme de droites sur les figures A à 5D, elles ne sont pas obligatoirement rectilignes. En fait, elles peuvent avoir toute configuration concave vers le haut ou vers le bas, etc., imposée par les conditions thermiques. Les extrémités de l'interface correspondent aux emplacementsdu point triple solide-liquide-gaz. La

distance comprise entre ces extrémités combinées à l'an-

gle de croissance à partir de la matière fondue, déter-

mine l'épaisseur du ruban formé en régime permanent.

Il faut noter que la technique considérée de stabilisation des bords par les fils améliore beaucoup

les possibilités de formation d'un ruban avec toute in-

clinaison par rapport à la matière fondue. L'avantage

principal du tirage en direction inclinée est une augmen-

tation de la vitesse de croissance étant donné l'augmen-

tation de la surface de l'interface.

On considère maintenant l'introduction des fils

dans la matière fondue.

Les figures 6 à 9 illustrent différents procédés d'introduction du fil de stabilisation de bord dans la matière fondue. Sur la figure 6, le fil 34 passe autour

d'une poulie 44 totalement immergée dans la matière fon-

due 32. Le fil pénètre dans la matière fondue, passe au-

tour de la poulie et sort de la matière dans laquelle il

est incorporé au ruban qui se forme. Les flèches 46 in-

diquent le sens de déplacement du fil.

Sur la figure 7, une ouverture relativement

petite 50 est formée au fond d'un creuset 52 pour le pas-

sage du fil. La pression de la matière fondue, due aux

forces de pesanteur, est compensée par la tension super-

ficielle dela matière fondue qui se fixe à la fois au creuset et au fil qui remonte comme indiqué par la flèche 54. Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 8, une petite chambre 60 est formée juste au-dessous d'une ouverture 62 de passage de fil d'un creuset 64. Cette chambre est mise sous pression par un gaz afin que la pression due aux forces de pesanteur de la matière fondue 66 présente dans le creuset soit compensée. La chambre a un canal 68 d'entrée de gaz communiquant avec une

réserve convenable de gaz comprimé (non représentée).

Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 9, des forces électromagnétiques sont in- duites dans la matière fondue afin qu'elles compensent

la pression due aux forces de pesanteur. Les forces élec-

tromagnétiques agissent dans le sens des flèches 70. Se-

lon ce procédé, un champ magnétique repéré par des croix, est créé perpendiculairement au tube 71 de guidage de fil

qui dépasse sous un creuset 72. Un courant créé par con-

nexion d'une source 76 de courant continu de part et

d'autre du tube 71 de guidage circule alors dans la ma-

tière fondue présente dans cette zone, perpendiculairement

à l'axe du tube de guidage et au champ magnétique appliqué.

Le résultat est l'application directe à la matière fondue d'une force électromagnétique dirigée vers le haut. Cette technique est utilisée avec des matières conductrices de l'électricité lorsqu'elles sont à l'état fondu et lorsque le creuset présente une certaine résistance si bien que le courant circule transversalement à l'axe du tube. Le champ magnétique peut être appliqué par des boucles de courant et le champ peut être transmis indirectement par

le creuset.

On considère maintenant la réduction des impure-

tés entraînées par les fils.

Il faut noter qu'un fil quelconque, quelle que soit sa purification, entraîne certaines impuretés avec

lui. Lorsque le fil traverse la matière fondue, ces impu-

retés passent dans celle-ci et la contaminent.

On peut utiliser simultanément deux techniques pour réduire la quantité d'impuretés introduites. D'abord,

le temps de séjour du fil dans la matière fondue est ré-

duit au minimum par utilisation d'un bain aussi peu pro-

fond que possible. Cependant, certaines impuretés pénètrent dans la matière fondue à partir du fil même lorsque le temps de séjour est aussi court que possible. On peut remédier à cet inconvénient par solidification d'une couche de la matière fondue sur le fil lorsqu'il pénètre

-dans-la matière fondue.

Dans un mode de réalisation, le fil est refroidi avant son entrée dans la matière fondue si bien que celle- ci se solidifie à son contact. Dans un procédé, le fil

est refroidi par circulation d'un gaz froid sur lui lors-

qu'il pénètre dans la matière fondue. Cependant, après un

petit intervalle de temps, le fil s'échauffe à la tempéra-

ture de la matière fondue et la matière qui s'est soli-

difiée fond si bien que la configuration géométrique doit être telle que le temps de séjour du fil dans la matière fondue est minimal, l'épaisseur du bain étant par exemple réduite.

Dans un autre mode de réalisation, un effet ther-

moélectrique du fil et de la matière fondue est utilisé pour la solidification du silicium autour du fil. Selon cette technique et comme indiqué sur la figure 10, un courant circule dans le fil 34, dans la région qui est formée au-dessous de la matière fondue. Ce courant est créé par une source 80 de courant continu qui est reliée au creuset 82 par un fil 86 et au fil 34 par une ligne 88 et des rouleaux conducteurs 84. Lors du fonctionnement, un courant circule le long du fil et dans la jonction du fil et de la matière fondue puis dans la matière fondue et dans le creuset vers la source par l'intermédiaire du fil 86. Il faut noter que deux conducteurs différents quelconques présentent un coefficient relatif d'effet

Peltier qui est la mesure d'un potentiel thermoélectrique.

Lorsqu'un courant circule à travers une telle jonction,

de la chaleur est dégagée ou retirée au niveau de la jonc-

tion suivant le sens de circulation du courant. Dans le cas du silicium et du graphite, le graphite peut être dopé (par exemple par du bore) afin qu'il présente un

coefficient Peltier important par rapport au silicium.

Ainsi, on peut utiliser l'effet Peltier pour l'entraine-

ment d'une petite quantité de chaleur directement depuis

l'interface de la matière fondue et du fil. Si l'on sup-

pose que le courant est suffisant, l'effet Peltier pro-

voque la solidification rapide d'une petite quantité de matière autour du fil lorsqu'il pénètre dans la matière fondue si bien que les impuretés sont bloquées. En pratique, les deux techniques peuvent être

utilisées, le refroidissement du fil et le refroidisse-

ment par effet Peltier. Cependant, il faut noter que la circulation d'un courant dans le fil provoque un certain

chauffage par effet Joule, dans la partie du fil rejoi-

gnant la matière fondue.

On considère maintenant la ségrégation des impu-

retés dans la matière fondue.

La figure il indique que, chaque fois qu'une solidification a lieu à une interface bien définie, il apparaît un phénomène de ségrégation des impuretés. Pour des considérations d'équilibre chimique, seule une certaine

fraction des impuretés de la matière fondue peut être in-

corporée à la matière solide, le reste étant rejeté à

l'interface. Cette ségrégation est utilisée avantageuse-

ment dans presque tous les procédés de croissance cris-

talline pour la purification du matériau formé.

L'obtention au maximum des effets avantageux de la ségrégation des impuretés nécessite le maintien d'un courant de matière fondue, au niveau de l'interface, afin que les impuretés rejetées soient entraînées. Ainsi,

selon l'invention, un courant de matière fondue est entre-

tenu sous le ruban qui se forme, en direction sensible-

ment perpendiculaire au plan du ruban.

Cependant, la ségrégation des impuretés dans la matière fondue ne suffit pas à une purification notable

de la matière dans une opération de croissance continue.

Ce comportement est dû au fait que, dans une opération de croissance continue impliquant un renouvellement de la matière fondue, les impuretés rejetées à l'interface de croissance s'accumulent de façon continue dans la matière fondue. Lorsque la concentration des impuretés augmente

dans la matière fondue, la quantité d'impuretés incor-

porées au ruban augmente aussi. Selon l'invention, ce

problème est résolu par déversement ou entraînement cons-

tant de la matière fondue. La mise en oeuvre de cette technique peut être considérée sous la forme suivante.

On prend le cas d'une impureté dont le coef-

ficient de ségrégation est égal à 0,001, c'est-à-dire que

1 pour 1000 des impuretés arrivant à l'interface est in-

corporé au cristal. Si l'on suppose que la matière pre-

mière a une concentration d'impuretés de 10 ppm, lorsque la matière fondue n'est formée que de cette matière, ce

qui est le cas initialement, on peut prévoir une crois-

sance d'un cristal ayant une concentration d'impuretés de 0,01 ppm étant donné ce coefficient de ségrégation de 0,001. Cependant, au cours du temps, les impuretés s'accumulent dans la matière fondue et le cristal a

finalement 10 ppm d'impuretés, c'est-à-dire la concentra-

tion de la matière initiale. A ce moment, comme le cristal

a une concentration d'impuretés de 10 ppm, la matière fon-

due a en réalité une concentration d'impuretés de 10000 ppm.

Cependant, un dixième de la matière fondue est déversé

constamment en état de régime permanent, avec introduc-

tion de nouvelle matière ayant une concentration d'im-

puretés de 10 ppm et on peut montrer que la matière fondue a une concentration d'impuretés d'environ 100 ppm et le cristal de 0,1 ppm. Ainsi, on obtient une purification

importante même en état de régime permanent.

La figure 11 montre comment sont réalisés le renouvellement, la circulation et le déversement continus de la matière fondue. On a aussi représenté un dispositif destiné à réduire l'épaisseur de la matière fondue afin que le temps de séjour des fils soit minimal. Le système de renouvellement est représenté schématiquement par un tube 90 par lequel des petits morceaux de matière première sont déversés dans la matière fondue. La circulation de celle-ci, au-dessous de l'interface de croissance, est assurée par un déplacement sensiblement circulaire de la matière fondue, formant un cercle de chaque côté de l'axe médian du ruban comme indiqué par les flèche 92. Dans le cas d'une matière conductrice de l'électricité, cette

circulation peut être provoquée par des forces électro-

magnétiques induites dans le liquide fondu. Par exemple, lorsque le creuset est formé de graphite et la matière fondue de silicium, les fils 94 peuvent être montés entre une source 95 de courant continu et le fond du creuset à proximité des bords du ruban, près des ouvertures 114 d'introduction des fils, au niveau de contacts 96. La conductivité élevée du silicium liquide par rapport au graphite provoque la circulation de la plus grande partie du courant dans le silicium liquide comme indiqué par la flèche interrompue 98. Un champ magnétique est appliqué simultanément en direction perpendiculaire à la surface 102 de la matière fondue si bien que les forces induites

dans la matière fondue provoquent la circulation de celle-

ci à peu près comme représenté. La direction du champ ma-

gnétique est indiquée par les flèches B. Ce champ magné-' tique peut être appliqué par des aimants extérieurs ou, de façon plus avantageuse, par le champ induit par le

courant circulant dans le dispositif principal de chauf-

fage du four, lors de l'utilisation d'un serpentin de chauffage. Une barrière creuse 110 est placée dans le creuset 112 afin qu'elle réduise la concentration des impuretés par réduction de l'épaisseur de la matière

fondue, la barrière ayant les orifices précités 114 d'in-

troduction des fils.

Le déversement de la matière fondue peut être assuré à l'aide d'un tube 120 de déversement qui dépasse sous le fond 122 du creuset. Le déversement peut être réglé par fermeture sélective, par mise en oeuvre de

forces électromagnétiques induites comme décrit précédem-

ment. Dans une variante, le tube peut être fermé par maintien du bout à une température légèrement inférieure à la température de fusion de la matière fondue. Un léger chauffage du bout par un petit dispositif de chauffage

par résistance ou analogue, suffit à la mise de la ma-

tière à l'état liquide dans le bout si bien que la ma-

tière peut s'écouler hors du creuset.

On considère maintenant la construction du four. La figure 12 représente un four 130 ayant une base 132 à-laquelle un boîtier principal 134, refroidi par circulation d'eau, est fixé et délimite une chambre verticale 136. Le four a un prolongement incliné 138 qui est décalé et a un orifice 140 d'observation, fermé de

manière étanche et comportant un verre ou une autre ma-

tière transparente, un orifice 142 de chargement permet-

tant l'introduction d'un creuset 144 et de tous les élé-

ments du four, et un prolongement 150 du boîtier qui dé-

passe radialement vers l'extérieur à partir du boîtier principal 134. Un bloc 200 de contact de dispositif de chauffage électrique est placé dans la chambre 136 et est

destiné à retenir les tiges 198 de chauffage qui tra-

versent la base du creuset et sont destinées à chauffer la matière fondue qu'il contient (voir figure 13A). Des conducteurs électriques 156 et 158, refroidis par de l'eau, transmettent l'énergie électrique aux blocs de contact

du dispositif de chauffage.

Le prolongement 150 du boîtier comporte un pro-

logement 152 de connexion d'une pompe à vide qui peut être utilisé soit pour la mise du boîtier sous vide soit pour l'introduction d'un gaz inerte qui s'écoule sur le creuset et sort par le haut de la chambre 136, par l'ouverture formée pour la sortie du ruban. Des serpentins 154 sont destinés

à la circulation d'un liquide de refroidissement qui dis-

sipe la chaleur de la chambre 136. L'appareil de tirage

de ruban qui porte la référence générale 160, placé au-

dessus du boîtier principal 134, comporte des rouleaux 162 qui sont entraînés par un moteur auxiliaire 164 et qui sont destinés à serrer un ruban 166 pour le tirer vers le haut comme indiqué par la flèche 172. Un dispositif 174 de montage maintient un cristal germe utilisé pour le déclenchement de la croissance du ruban, et ce dernier

lui est fixé.

La figure 13A est une perspective éclatée de l'appareil logé dans la chambre 136. Le creuset 144 est monté sur un socle 170 qui a une face supérieure 172 dans laquelle sont usinées des ouvertures 174 de diamètres différents destinées à coopérer avec des pièces vissées,

emmanchées à force ou coulissantes. Une garniture infé-

rieure d'isolation 176 est placée sur le socle 170 et est maintenue en position par des plots 178 de positionnement

qui passent par des ouvertures 179 de la garniture 176. -

Le creuset 144 est monté sur la garniture 176 et elle est supportée et maintenue en position par des plots 180 à 186 de support qui passent par des ouvertures 188 de la

garniture. La garniture inférieure 176 a aussi des ou-

vertures.190 dont dépassent des tubes de positionnement de fils (figure 14) guidant les fils de stabilisation vers le creuset 144, par des ouvertures 192 formées au fond du creuset. En outre, un ouverture 194 est formée dans

la garniture inférieure pour le passage d'un tube pro-

tecteur central (figure 14) contenant un thermocouple. Le socle 170 a des ouvertures correspondantes 190' et 194' destinées à loger les tubes de positionnement de fils

et le tube protecteur de thermocouple.

Le creuset 144 a des canaux 196 formant des cavités radiantes pour les tiges 198 de chauffage qui y sont disposées. Ces tiges de chauffage sont portées par des blocs 200 de contact ayant des ouvertures permettant le logement des extrémités 202 des tiges de chauffage,

de façon coulissante, comme décrit dans la suite du pré-

sent mémoire. Les blocs de contact sont supportés sur le

socle 170 par des plots 204 de support isolés électrique-

ment par rapport au socle 170 par des manchons 206. Les plots 204 sont formés de graphite, de même que les plots 178, alors que les manchons 206 sont formés de nitrure de bore. Le creuset est formé de graphite dans un mode de réalisation, mais il faut noter qu'il peut être formé de diverses matières dont la mouillabilité est comprise entre celle du carbone et celle du quartz ou du nitrure

de bore. Les garnitures d'isolation, dans un mode de réa-

lisation, sont formées de matière fibreuse. "Fiberform" formée à partir d'une suspension colloïdale de graphite, disponible auprès de Fiber Materials, Inc., Biddeford,

Maine, Etats-Unis d'Amérique.

Une garniture supérieure 210 d'isolation ayant des ouvertures convenables permettant le logement des plots 178 et des tiges 198, entoure le creuset 144. Cette garniture a une partie centrale découpée 212 destinée à entourer les parois externes du creuset 144. Des écrous 214 de graphite boulonnés sur les plots 178 assurent le

serrage de l'ensemble de la structure. Des blindages radiants-

doubles 216 de graphite, séparés des rondelles 218 de graphite, sont maintenus horizontalement à distance près d'une face 220, à la partie supérieure de la garniture

supérieure, par des saillies 222 solidaires de la garni-

ture supérieure. Il reste un espace suffisant entre les blindages radiants,pour le passage du ruban qui sort. Les Ces bindages sont formés de graphite solide et non de fibres "Fiberform" si bien qu'il n'y a pas de matière

particulaire pouvant tomber dans la matière fondue.

Les figures 13B à 13E montrent comment l'appa-

reil de la figure 13A est monté. Comme indiqué sur la figure 13B, le socle 170 est d'abord muni des plots 178 de positionnement et 180- 1I86- de support (le plot 180 en'étant pas représenté), avant montage des plots 204 de

support des blocs de contact. Les blocs 200 sont repré-

sentés montés sur les plots correspondants. Sur la fi-

gure 13C, le bloc inférieur 176 d'isolation est placé sur les plots 178 et le creuset 144 est monté au-dessus, entre les blocs de contact. Comme indiqué sur la figure 13D, le bloc supérieur 210 d'isolation est alors placé sur le bloc inférieur 176 et entoure le creuset 144 comme

indiqué. La figure 13E montre que les tiges 196 de chauf-

fage passent par les ouvertures du bloc 200, dans le bloc supérieur 210, dans les canaux du creuset et dans les ouvertures du bloc opposé de contact. Les blindages 216

sont alors boulonnés sur le bloc 210, l'un près de l'au-

tre mais à une certaine distance comme représenté.

Comme l'indique la figure 13F, le creuset 144 a, à sa face inférieure, des ouvertures 192 destinées à l'introduction des fils de manière générale. Un trou borgne 230 est destiné à loger un tube 248 de protection de thermocouple et le thermocouple logé à l'intérieur, les fils de ce dernier étant repérés par la référence

249. Le tube protecteur de thermocouple a trois fonc-

tions. Il assure le positionnement X, Y du creuset par rapport au socle précité. Il a un court tronçon taraudé qui maintientle creuset en appui contre les supports 180 et 186. Enfin, il loge le thermocouple de réglage du four principal. La surface inférieure du creuset 144 a des

canaux radiaux 232 destinés à loger les axes 234 de posi-

tionnement qui dépassent des surfaces supérieures 236 des plots 180 et 186 de support. Lorsque le creuset 144 est dispoé de manière que sa face inférieure soit au contact des faces supérieures 236 des plots 182 et 184, les axes 234 dépassent dans les canaux 23-2. Le rôle de cette structure de support du creuset est d'assurer le positionnement angulaire du creuset et de permettre sa dilatation et sa contraction.thermique linéaire. Il faut

noter que le creuset peut se dilater d'une quantité pou-

vant atteindre 1 % entre la température ambiante et la

température de fonctionnement qui, dans le cas du sili-

cium, est de 1420'C.

La figure 14 représente le système d'introduc-

tion de fils, les fils 242 étant enroulés initialement sur des bobines 240. Les bobines peuvent être retenues Plastiquement ou entraînées par des moteurs ou des fils, en sens opposé au sens d'avance afin que les fils aient la tension voulue. Les bobines sont suspendues à des supports 244, dépassant sous une plaque 246 montée sur le flasque inférieur du four. Le socle 270 est aussi monté sur la plaque 246, avec les tubes 252 de positionnement de fils, le tube 248 protecteur de thermocouple passant dans la plaque 246 puis dans des ouvertures 190' et 194' correspondantes du socle 170. Une petite coupelle 254 à

gaz est aussi en butée contre la plaque 146. Cette cou-

pelle contient de l'argon, indépendamment du four prin-

cipal si bien qu'une petite chambre sous pression est

formée autour de toutes les ouvertures du fond du four.

De cette manière, le gaz qui pourrait pénétrer dans le four par ces ouvertures est un gaz inerte et non l'air

environnant, un courant étant induit par un effet de che-

minée selon lequel du gaz chaud et moins dense présent

dans le four peut remonter.

Le tirage du ruban est assuré par un ensemble 260 d'entraînement monté sur le four, le ruban 262 y étant maintenu entre des rouleaux en regard de cet ensemble. Un

rouleau mené 264 est apparié à un rouleau fou non repré-

senté, et un rouleau fou 266 est apparié à un rouleau mené (non représenté). Le rouleau 264 d'entraînement provoque la rotation d'un pignon 268 qui entraîne un pignon décalé

270 qui entraîne le rouleau mené du jeu inférieur.

Les tubes 252 de positionnement de fils de la figure 14 peuvent avoir la configuration indiquée sur la

figure 15, représentant leur disposition relative par rap-

port à un tube 271 d'introduction de fil d'un creuset

272. Une tige cylindrique-creuse 273 a des éléments rap-

portés 274. Ceux-ci ont un canal central 276 et des extrémités élargies 278. En outre, le tube 271 peut avoir

une partie élargie 279 facilitant l'introduction des fils.

Comme indiqué sur -la figure 16, une partie 280 d'une tige de chauffage est introduite dans le bloc 200

de contact. Les tiges de chauffage, dans un mode de réali-

sation, sont tournées dans du graphite de section circu-

laire afin qu'une partie centrale 282 ait un diamètre ré-

duit et qu'une extrémité élargie 284 forme une nervure circonférentielle 286 de contact. L'extrémité ayant la nervure est en coopération avec un canal 288 du bloc 200, et y coulisse élastiquement. L'extrémité 284 et la nervure 286 sont divisées en quatre quadrants par des fentes 280 formées dans des plans vertical et horizontal. Ilse forme ainsi quatre ressorts de graphite en une seule pièce, don-

nant la souplesse nécessaire à l'emmanchement par coulis-

sement élastique.

La tige comporte ainsi un connecteur coulissant qui permet la compensation de la dilatation thermique sur

la longueur de la tige du fait du chauffage. Cette dilata-

tion peut être de l'ordre de 2 % si bien que, si les tiges étaient fixées au bloc, elles se déformeraient de façon intolérable. Un picot 292 est placé à chaque extrémité de chaque tige et la retient en position convenable afin que la tige ne puisse pas sortir du connecteur, à la suite des petites oscillations de longueur subies sous l'action des

cycles thermiques.

On considère maintenant le fonctionnement du four.

Lors du fonctionnement, une tension est appli-

quée aux tiges de chauffage, en parallèle, par, l'intermé-

diaire des fils 156 et 158 d'alimentation en courant qui sont refroidis par de l'eau. Ainsi, le courant est trans-

mis par le fil 156 au bloc 200 et se répartit dans les

tiges parallèles de chauffage puis est collecte par le se-

cond bloc 200 de contact et s'échappe par le fil 158.

Le four est réalisé afin que l'énergie consommée lors du fonctionnement soit minimale. A cet effet, les tiges 198 sont placées dans des canaux 196 disposés dans le creuset lui-même afin que toute l'énergie dissipée par les tiges soit directement reçue par le creuset, sans qu'une partie soit irradiée directement vers la garniture d'isolation comme dans le cas de l'utilisation d'éléments externes de chauffage. Le résultat est que, pendant le

fonctionnement lorsque le silicium fondu- est à une tempé-

rature de 14300C, la consommation totale du four est de 3500 watts. Cette faible consommation d'énergie s'explique en outre si l'on note que, dans un four normal, le creuset

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est totalement entouré par un dispositif de graphite de grande dimension assurant le chauffage par résistance. Ce

dispositif de chauffage doit avoir une température supé-

rieure à la température de fonctionnement du creuset afin qu'il lui transmette de'la chaleur. En outre, ce dispo- sitif de grande dimension a une plus grande surface que le creuset qui l'entoure. Ces deux facteurs se combinent

en donnant un facteur de dissipation d'énergie bien supé-

rieur à la quantité minimale nécessaire au maintien du creuset à la température voulue. L'utilisation de tiges

de chauffage entourées par le creuset permet une utilisa-

tion de la quantité théoriquement minimale de chaleur, pour

une isolation déterminée.

En outre, l'utilisation des tiges de chauffage facilite la modification du profil de température dans le

* creuset et permet l'obtention d'un profil très uniforme.

De telles modifications peuvent être réalisées par chan-

gement de la résistance globale d'un ou plusieurs éléments par rapport aux autres par rapport auxquels il est monté en parallèle. Une tige de plus grand diamètre a une plus faible résistance et dissipe donc plus de chaleur que les

autres, lors d'un montage en parallèle. Les tiges indivi-

duelles peuvent aussi avoir une configuration diverse sur leur longueur, des parties plus grosses de résistance plus

faible dissipant moins de chaleur que des parties adja-

centes plus étroites étant donné le montage en série. En-

fin, les tiges peuvent avoir des positions différentes

donnant des changements importants de profils de tempéra-

ture. Lorsqu'un profil satisfaisant est obtenu, il peut être reproduit très facilement et ne nécessite que le remplacement d'un élément usé par un élément usiné d'une

manière analogue.

Lors de la mise en route, le silicium ou une autre matière a utiliser est fondu dans le creuset 144 par transmission d'énergie aux tiges 198 de chauffage. Les

fils sont alors introduits au fond des tubes 252 de posi-

tionnement et remontent dans ces tubes et passent dans

les ouvertures 142 formées au fond du creuset 144. Le po-

sitionnement des tubes 252 par rapport au creuset 144 est assuré par le dispositif de positionnement qui comprend le

tube protecteur 248 du thermocouple et les plots de sup-

port 180 à 186 décrits précédemment. Il faut noter que le

tube protecteur du thermocouple détermine le positionne-

ment X - Y du creuset en un point qui se trouve juste en-

tre les deux ouvertures 192 d'introduction de fils si bien que les erreurs de positionnement des ouvertures 192 par rapport auwtubes252 sont minimales. La remontée des fils est en outre facilitée par les élargissements décrits en

référence à la figure 15.

D'autres avantages de l'utilisation du four sont

la possibilité de l'enlèvement des tubes 252 de position-

nement du four pendant une opération. Cette caractéristique peut être nécessaire dans le cas du coincement d'un fil ou de la solidification de gouttelettes dans le tube. Dans ce cas, le tube peut être simplement retiré du fond du four, nettoyé et remis en place. De manière analogue, le thermocouple peut être retiré du tube 248 et remis en

place pendant une opération, le temps écoulé étant minimal.

On considère maintenant la retenue de la matière fondue dans les ouvertures du fond du creuset, par effet

capillaire. Dans un mode de réalisation, la retenue capil-

laire peut être assurée par un tube cylindrique dépassant vers le bas, au niveau de l'orifice, le tube étant formé de la matière totalement ou partiellement mouillée du creuset. La figure 17 représente cette disposition et on

la décrit en référence à l'introduction du fil. La discus-

sion qui suit suppose l'absence de fil.

En principe, ce tube a pour rôle de compenser la pression hydrostatique de la matière fondue due aux forces de pesanteur par des forces capillaires appliquées

à la perle de matière fondue qui se forme au fond du tube.

Pour une configuration et un liquide déterminés, il existe une pression maximale qui peut être compensée de cette manière. Si l'on appelle II la distance comprise entre la surface libre de la matière fondue et le fond du tube et

r le rayon externe du tube cylindrique, la hauteur maxi-

male de liquide qui peut être supportée peut être déter-

minée dans l'hypothèse ou la goutte formée au-dessous de la saillie à une forme hémisphérique de rayon r. On obtient: rHmax =Y (Eq. 3) ou Hmax pgr (Eq. 4) Ainsi, si le niveau de la matière fondue est tel que la distance entre la surface libre et le fond du

tube est inférieure à Hmax, il n'y a pas de fuite. Cepen-

dant, si la distance doit dépasser Hmax, des fuites appa-

raissent jusqu'à ce que le niveau de la matière fondue s'abaisse et jusqu'à ce que la distance comprise entre

la surface et le fond du tube soit égale à H a. A ce mo-

ment, les fuites s'arrêtent.

Pour une matière déterminée, r.Hmax est une cons-

tante déterminée par les seuls paramètres de la matière.

Dans le cas du silicium, on obtient r.H - "Y = 0,587 cm2.

Hmax =pg Cependant, on peut régler Hax par modification du rayon r du tube. Par exemple, la réduction du rayon augmente la

hauteur maximale de liquide qui peut être supportée.

On considère maintenant la retenue de la matière

fondue pendant l'introduction des fils, par effet capil-

laire. La technique d'introduction des fils décrite en référence à la figure 7 peut représenter une condition

instable lors de l'utilisation d'un creuset mouillé puis-

que, lorsque le silicium mouille le fond du creuset, sa surface de mouillage augmente si bien que la hauteur de liquide qui peut être supportéeau niveau de l'ouverture d'introduction diminue. Ce comportement peut permettre des fuites de la matière fondue. Lorsqu'un petit tube cylindrique dirigé vers le bas est utilisé comme indiqué précédemment, il détermine la limite de la surface de

mouillage du liquide.

Dans le cas de l'introduction d'un fil, Hmax est rendu nettement plus grand que la distance maximale prévue H entre la surface de la matière fondue à l'extré- mité du tube. Par exemple, dans un système tel que H = 1,3 cm, on utilise un tube d'introduction de fil tel que r = 0,16 cm si bien que la hauteur maximale qui peut

être supportée de manière stable Hmax est égale à 3,67 cm.

L'utilisation d'un fil dans le tube a peu d'ef-

fet sur la hauteur de liquide qui peut être supportée. On

peut comprendre ce comportement de la manière suivante.

On se réfère à la figure 17 et on note que le fil 294

remonte comme indiqué par la flèche 296. Le type de mouil-

lage qui existe à la partie inférieure du tube 271 est représenté par la gouttelette 300 de matière fondue. Ce type de mouillage du fil accroît en réalité la hauteur maximale qui peut être supportée car la surface de fixation du ménisque est accrue. Même la descente du fil a peu d'effet sur la hauteur qui peut être supportée_, car le petit rayon de courbure autour d'un petit fil garantit le support d'une hauteur de liquide importante quel que soit l'angle de fixation ou d'attachement au fil. Ce type de tube d'introduction peut être utilisé aussi bien pour la croissance verticale que pour la croissance en direction inclinée. Suivant la nature exacte de l'interaction de la matière fondue et de la matière du creuset, la gouttelette du bout du tube d'introduction peut grimper sur les côtés

du tube et peut réduire ainsi la hauteur maximale de li-

quide qui peut être supportée du fait de l'augmentation de la surface mouillée. Ce comportement peut être évité par mise en oeuvre des modes de réalisation des figures 18 et

19. Sur la figure 18, une petite cavité 302 de forme an-

nulaire empêche l'avance de la matière fondue qui pour-

rait remonter le long de la saillie, étant donné les

propriétés de fixation du ménisque qui provoquent la fixa-

tion du ménisque à la discontinuité formée à la jonction de la surface verticale et de la surface dépassant vers l'intérieur. Sur la figure 19, un flasque ou une nervure

annulaire 304 a le même rôle.

Comme indiqué sur la figure 20, un tube 306

d'introduction de fil peut avoir un flasque ou une ner-

vure 308 dans la partie tournée vers le bas afin que le fil puisse être incliné par rapport à la surface de la matière fondue et que la protection contre les fuites soit meilleure. En outre, les configurations des figures

18 et 19 peuvent être utilisées dans le cas de la crois-

sance en direction inclinée. Il faut noter que les per-

fectionnements des figures 18, 19 et 20 ne sont pas li-

mités aux orifices d'introduction de fils mais convien-

nent aussi à l'évacuation par aspiration et au déverse-

ment de la matière fondue par débordement par effet ca-

pillaire, comme décrit dans la suite.

On considère maintenant comment la solidifica-

tion de la matière fondue est évitée.

Les tubes d'introduction de fils des figures 18, 19 et 20, s'il restaient exposés,pourraient provoquer la solidification de la matière fondue dans les tubes. Une partie 310 du creuset 272 peut être prolongée afin qu'elle entoure totalement le tube qui dépasse et forme ainsi une cavité rayonnante autour du tube comme représenté afin

que la température du tube reste supérieure à la tempéra-

ture de la matière fondue. Dans un mode de réalisation, le fond du creuset est évidé au niveau de l'ouverture d'introduction de fil et un plus petit tube d'introduction de fils est monté concentriquement dans la cavité afin que les parois environnantes du creuset soient distantes du

tube d'introduction de fil mais soient adjacentes.

On considère maintenant l'évacuation de la ma-

tière fondue par entraînement.

La matière fondue, comme décrit précédemment, peut être évacuée, comme représenté plus précisément sur la figure 21, par utilisation d'un creuset ayant un tube dépassant vers le bas et par réglage du débit de matière

provenant du tube, par solidification et fusion de la ma-

tière se trouvant au bout du prolongement. Cette opération

suppose que le bout de tube est suffisamment long, c'est-

d-dire est disposé suffisamment au-dessous de la matière fondue, pour que les forces de capillarité ne puissent pas empêcher la sortie du liquide à l'extrémité, lorsque

la matière de cette extrémité est fondue.

Cependant, comme indiqué sur la figure 21, dans une variante, le silicium fondu est maintenu à l'intérieur

par capillarité, suivant la relation rH<2-, et on ap-

pg plique une force d'aspiration au bout lorsque du silicium doit être évacué. A cet effet, un conduit 312 de sortie

fait communiquer le creuset et un réceptacle 314 de déver-

sement qui peut être mis sous vide par un appareil conve-

nable non représenté, par l'intermédiaire d'un conduit 316. L'aspiration est transmise au réceptacle chaque fois

que la matière fondue doit être retirée du creuset. L'opé-

ration est réalisée de façon semi-continue ou presque continue le cas échéant. Le résultat est que du silicium solidifié rejeté se dépose comme indiqué par la référence

318, la longueur du conduit 312 étant relativement grande.

Le réceptacle 314 peut être formé de graphite ou il peut être destiné à être coupé comme indiqué par la fixation à bride boulonnée schématiquement repérée par la référence 320.

On considère maintenant le déversement de la ma-

tière fondue par débordement par effet capillaire.

Comme indiqué sur la figure 22, le creuset 144 a un tube 311 de déversement de matière fondue. Comme les tubes 330 d'introduction peuvent supporter une hauteur maximale prédéterminée de liquide, toute hauteur plus grande provoque des petites fuites jusqu'à l'obtention d'un état de régime permanent. Si le tube-311 est plus long ou de plus grand diamètre que les tubes 330, il joue

essentiellement le rôle d'une soupape de débordement.

La hauteur maximale "iMax qui peut être supportée par un tube est déterminée par son diamètre externe. Ainsi, deux tubes de même diamètre externe supportent la même hauteur maximale de liquide. Lorsque le tube 311 est plus long que les tubes 330 d'introduction de fils, lorsque le niveau de la matière fondue augmente, le niveau pour lequel les fuites ont lieu par le tube 311 est atteint avant que la matière fuie par les tubes 330. Evidemment,

les tubes 330 et 311 peuvent avoir des diamètres diffé-

rents correspondant à des hauteurs maximales différentes

de matière fondue. Ainsi, les diamètres et longueurs rela-

tifs peuvent être réglés afin que les fuites aient lieu d'abord au niveau du tube 311. Ces fuites se poursuivent

jusqu'à ce que le niveau de la matière fondue ait suffi-

samment diminué pour que le tube 311 ne déverse plus de

matière fondue, sous l'action des forces capillaires.

Le déversement de matière fondue par déborde-

ment limité par effet capillaire permet un réglage très précis du niveau de la matière fondue puisque, lorsque le niveau de celle-ci dépasse la valeur pour laquelle H = Hmax1 des fuites commencent et se poursuivent jusqu'à ce que H = Hmax, les fuites s'arrêtant alors. Ainsi, le niveau de la matière fondue est automatiquement contrôlé, sans qu'une mesure de hauteur de matière fondue ou une réaction extérieure soit nécessaire. En outre, il faut noter que la matière fondue déborde goutte à goutte de

manière parfaitement maîtrisée. On peut considérer ce com-

portement en notant qu'une hauteur H légèrement supérieure à HMax est telle que les forces capillaires appliquées au fond du tube de déversement équilibrent presque mais pas

tout à fait les forces de gravité. Ainsi, la matière fon-

due n'est chassée que par une très petite différence de

pression et elle s'écoule donc de manière bien maîtrisée.

Dans un mode de réalisation, le débit de renouvellement

de la matière fondue est rendu supérieur au débit de crois-

sance d'une valeur égale à 20 % par exemple. Ainsi, 20 %

de la matière fondue sont déversés de façon continue, pro-

voquant ainsi une purification considérable de la matière fondue.

Il faut noter qu'on peut utiliser toute combi-

naison convenable de longueur et de rayon pour le tube.

Cependant, en pratique, le rayon du tube de déversement détermine grossièrement la dimension des gouttes évacuées. Il est avantageux que les gouttes soient relativement fines afin qu'elles ne bouchent pas la zone 336. Le rayon du

tube a donc une limite supérieure. Dans un mode de réali-

sation, r = 0,2 cm et H = 2,93 cm.

On considère maintenant la croissance en direc-

tion inclinée par rapport à la surface libre de la matière

fondue, en commençant par des considérations théoriques.

On peut montrer que, lorsqu'un ruban ayant des bords stabilisés est tiré à partir de la matière fondue

en direction inclinée, le ruban prend une forme de rigole.

On a constaté qu'un ruban "plat" peut être formé par

croissance à l'aide d'un dispositif qui permet l'orienta-

tion angulaire de la surface du ménisque au point infé-

rieur de fixation autrement qu'avec l'angle tangentiel normal, c'est-àdire autrement que tangentiellement à la

surface de la matière fondue. La possibilité de la forma-

tion d'un ruban plat peut s'expliquer par les effets des contraintes géométriques et thermiques applicables à la

croissance d'un ruban d'une feuille mince.

Les contraintes géométrique sont dues essentiel-

lement à l'action de la tension superficielle sur le mé-

nisque et aux angles permis de fixation du ménisque à la matière fondue, au ruban, etc. Les contraintes thermiques sont dues aux paramètres de la matière, par exemple la chaleur de fusion et la conductibilité thermique, ainsi qu'aux mécanismesd'extraction de chaleur présents, par exemple par radiation ou par conduction. Compte tenu de ces contraintes et ces interactions, on considère plus en

détail les contraintes géométriques, en référence aux fi-

gures 5A à 5D. Bien que cette discussion s'applique à la

croissance suivant toute direction par rapport à la ma-

tière fondue, on se réfère à une coupe effectuée dans un

ruban tiré verticalement comme indiqué sur la figure 23.

Comme indiqué précédemment, le ménisque doit se raccorder régulièrement à la surface de la matière fondue comme

indiqué par la référence 400, afin qu'il se raccorde tan-

gentiellement à cette surface fondue; ainsi, le ménisque doit avoir une pente nulle à la surface horizontale libre

de la matière fondue. Ainsi, l'angle de fixation du ménis-

que à la matière fondue est égal à zéro. On peut comprendre physiquement ce critère on notant que le ménisque n'est en fait composé de rien d'autre que de la matière fondue. En conséquence, il n'y a pas de limite physique qui pourrait

justifier la discontinuité de pente à la surface du liquide.

Cependant, lorsque le ménisque se fixe à un corps solide

tel qu'un ruban solidifié, l'angle de fixation est en géné-

ral non nul. Le ménisque doit se raccorder au cristal formé

suivant un angle particulier p0, déterminé par les proprié-

tés de la matière utilisée. Dans le cas du silicium, cet angle est à peu près égal à 110. La ligne de fixation du ménisque au cristal qui se forme est appelée "bord de

l'interface" comme indiqué par la référence 402.

Lorsqu'on calcule la configuration précise de la surface du ménisque, ces conditions de la pente du ménisque constituent les conditions aux limites. Entre les extrémités, la configuration du ménisque est déterminée par l'influence des forces capillaires, comme indiqué par l'équation de Laplace âp = pgh = y(' + 1) (Eq. 5) dans laquelle Lp désigne la chute de pression supportée à l'interface liquide-gaz par les forces capillaires, p, g, h et y ayant déjà été définis, et Ri et R2 sont les rayons principaux de courbure de la surface du ménisque. Chaque

fois que le ruban formé est "plat", soit en direction ver-

ticale soit en direction inclinée, l'un des rayons prin-

cipaux R2 est infini. Dans ce cas, l'équation (5) devient équivalente à l'équation (1) avec Ri = R. Comme il est en général souhaitable que le ruban formé soit plat, la forme réduite de l'équation (1) s'applique en général. Cependant, la compréhension de la croissance en direction inclinée est facilitée par l'utilisation de cette équation générale (5). Comme l'indiquent les deux équations (1) et (5), les rayons locaux de courbure de la surface du ménisque sont fonction de la hauteur h au point considéré au-dessus de la surface libre de la matière fondue. Ainsi, dans une simple croissance verticale, le rayon de courbure de la surface du ménisque diminue progressivement lors de la remontée le long du ménisque, de la surface de la matière

fondue à l'interface de croissance.

Pour simplifier la description qui suit, on

utilise plusieurs simplifications qui ne réduisent pas la généralité du raisonnement. L'angle de fixation du - ménisque au ruban ou l'angle de fixation à l'interface 0 est supposé égal à 00, et la surface du ménisque est considérée comme ayant une courbure constante si bien que la dépendance de la courbure de la surface avec la

hauteur h est négligée.

Comme indiqué sur la figure 24, pour une crois-

sance en direction inclinée d'angle a par rapport à la a surface de la matière fondue, la figure est une coupe de la croissance d'un ruban plan à partir de la surface

fondue, avec les hypothèses précitées d'un angle de fixa-

tion égal à zéro à l'interface et d'un rayon constant de courbure pour les surfaces du ménisque. Comme indiqué précédemment, les bords 402 de l'interface constituent la ligne de fixation du ménisque au ruban formé. Comme

l'indique la figure 24, il existe une très grande dis-

tance L entre les bords de l'interface, mesurée suivant la longueur du ruban. Si l'on revient à la figure 23, on note que la symétrie impose que cette distance soit nulle

dans le cas simple de la croissance verticale d'un ru-

ban à partir de la surface de la matière fondue. Cepen-

dant, dans le cas de la croissance de la figure 24, en direction inclinée, il existe une séparation des deux bords de l'interface, avec un agrandissement important de l'interface de croissance. C'est cette interface accrue de croissance et son orientation sensiblement parallèle au ruban qui donnent les avantages principaux de la croissance en direction inclinée, à savoir une

plus grande vitesse due à une plus grande surface d'extrac-

tion de chaleur, de plus faibles contraintes thermiques

dues à l'extraction de la chaleur en direction perpendi-

culaire à la direction de tirage plutôt que parallèle à

cette direction, et la plus grande tendance de la struc-

ture cristalline indésirable, telle que les limites des grains, à croître uniquement sur une faible distance étant donné la propagation vers la surface du ruban et

non le long du ruban.

Comme indiqué sur la figure 24, les hauteurs

de ménisques,des deux côtés d'un ruban formé en direc-

tion inclinée par rapport à la matière fondue, sont dif-

férentes. L'expression "hauteur de ménisque" est définie de façon plus rigoureuse comme étant la distance mesurée verticalement entre la surface libre de la matière fondue

et le bord de l'interface du côté correspondant du ruban.

On peut comprendre le phénomène de la croissance en direc-

tion inclinée par compréhension qualitative de l'origine

de cette différence de hauteurs des ménisques.

La figure 25 représente les paramètres les plus importants de l'interface de la figure 24. On note sur la figure 25 que les surfaces gauche et droite de ménisques sont des arcs de cercle. Si le ruban formé

était vertical, les bords correspondraient aux traits in-

terrompus 410, rapprochés l'un de l'autre. Dans le cas de la surface de ménisque de droite de la figure 24, le point de tangence à la surface du ruban est déplacé plus à l'extérieur suivant l'arc de cercle, du point 412 dans le

cas de la croissance verticale au point 414 pour la crois-

sance inclinée. Dans le cas de la surface de gauche, le point de tangence à la surface du ruban est plus proche de la matière fondue. Cette caractéristique est indiquée

par la différence de positions entre le point 416 cor-

respondant à la croissance verticale et le point 418 cor-

respondant à la croissance inclinée. Ainsi, la hauteur du ménisque à droite-MR est augmentée par rapport à la hauteur correspondante pour la croissance verticale alors que la hauteur du ménisque de gauche ML est réduite. En conséquence, l'interface de croissance est agrandie et les bords de l'interface sont séparés par une grande distance, mesurée

le long du ruban.

Cependant, cette configuration de croissance

pose un problème important. Jusqu'à présent, on n'a con-

sidéré que l'influence des contraintes géométriques. On doit aussi considérer les contraintes thermiques et de

transmission de chaleur. Il faut noter que toute l'in-

terface de croissance est par définition à la même tempé-

rature qui est la température de fusion de la matière

considérée. Cette grande surface isotherme fixe des res-

trictions très sévères à la température de la surface du ruban à proximité de l'interface, car cette température doit être égale à la température de fusion de la matière

sur une grande surface ou proche de cette température.

La figure 25 indique qu'une distance particu-

lière est déterminée entre les bords de l'interface pour chaque angle de croissance par rapport à la surface de la

matière fondue. Cependant, la description qui précède

montre clairement que les contraintes thermiques ne sont pas obligatoirement satisfaites par cette configuration géométrique de croissance. En général, les contraintes thermiques sont favorables à une plus faible distance entre les bords de l'interface que celle qui est imposée par les seules contraintes géométriques. Cependant, les

contraintes géométriques et thermiques doivent être sa-

tisfaites simultanément. En fait, le ruban réagit à ces conditions en croissant avec une forme de rigole comme

représenté sur la figure 26.

La satisfaction simultanée des contraintes géo-

métriques et thermiques par une croissance en forme de rigole apparaît clairement d'après la forme complète de l'équation de Laplace, à savoir l'équation (5). Comme

2473È72

indiqué sur la figure 26, le ruban 420 en forme de rigole et en conséquence le ménisque courbe 422 donnent au ruban un rayon fi-ni de courbure R2. Cette propriété se distingue

de la croissance d'un ruban plan tel que R2 est infini.

Les rayons de courbure R1R et R1L des surfaces du ménisque mesurées en coupe verticale sont positifs des deux côtés du ruban. Ainsi, la surface du ménisque est concave en coupe verticale, aux surfaces gauche ou supérieure et droite ou inférieure du ruban. Cependant, le rayon principal de courbure R2; étant donné la forme arrondie du ruban, a des signes opposés des deux côtés du ruban. Le côté gauche est concave, ayant une courbure

positive, et le côté droit est convexe, ayant une cour-

bure négative.

L'équation (5) montre que le terme (1/R1 + 1/R2) doit rester inchangé pour une hauteur donnée h. Du côté gauche du ruban, une valeur finie et positive R2 implique que l/R1 doit être inférieur si la somme (1/R1 + 1/R2) doit rester constante. Ainsi, R1L doit prendre une valeur positive plus grande que celle qu'il aurait pour R2 infini, dans le cas du ruban plan. Du côté droit, un rayon fini et négatif R2 implique que 1/R, doit avoir une valeur plus

grande pour que la somme (1/R1 + 1/R2) reste constante.

Ainsi, R1R doit avoir une valeur positive plus faible que

celle qu'il aurait si R2 était infini.

En résumé, au cours de la transition de la crois- sance d'un ruban plan à la croissance d'un ruban en forme

de rigole, la contrainte géométrique de capillarité néces-

site que, à la face supérieure, le rayon de courbure R1

croisse alors que, à la face inférieure, il décroisse.

L'effet de ce changement de rayon apparaît sur

la figure 27 qui représente des coupes verticales corres-

pondant à une croissance inclinée, par le milieu du ruban 430 qui se forme à plat (traits interrompus) et par le

milieu d'un ruban 432 qui se forme en rigole. Comme indi-

qué, le ruban en rigole a un rayon supérieur de courbure 434 supérieur au rayon de courbure 436 du ruban plan, et un rayon inférieur de courbure 438 inférieur à celui de

la courbure 440 du ruban plan. Il en résulte une réduc-

tion de la distance comprise entre les bords de l'inter-

face comme indiqué par les flèches 442 et 444. Ainsi, la croissance d'un ruban 432 en forme de rigole est la ré- ponse naturelle du système qui doit satisfaire à la fois

aux contraintes géométriques et thermiques.

* On considère maintenant la croissance d'un ru-

ban plan.

On constate que, lorsque l'orientation angu-

laire de la surface du ménisque, à son point de fixation inférieur, peut varier par rapport à l'angle tangentiel

normal, par exemple à la tangente à la surface de la ma-

tière fondue, le ruban se forme à plat.

La figure 28A est une coupe verticale d'un

ruban formé en direction inclinée par rapport à la sur-

face de la matière fondue. La figure 28B montre qu'un dis-

positif 450 a été introduit et permet l'utilisation d'an-

gles de fixation du ménisque très divers au point infé-

rieur 451 de fixation de la surface 452 du ménisque. Le

résultat de cet angle important de fixation pour le mé-

nisque de droite est une réduction importante de la dis-

tance L entre les bords de l'interface. Il s'agit de la condition voulue pour la croissance d'un ruban plat et

elle est obtenue par adoucissement de la contrainte por-

tant sur l'angle de fixation inférieur du ménisque, don-

nant une certaine souplesse pour la satisfaction des con-

traintes thermiques au cours de la croissance d'un ruban plan. Bien qu'on décrive la croissance d'un ruban plan

pour un tirage en direction inclinée, permettant des an-

gles variables de fixation, elle est aussi utile car elle

évite le gauchissement dans le cas d'une croissance pres-

que verticale. Les paragraphes qui suivent concernent en totalité ou en partie des modes de réalisation pratiques

de dispositif 450 de la figure 28B.

On considère maintenant des organes mouillés de stabilisation.

Comme indiqué précédemment, la croissance en di-

rection inclinée peut être stabilisée à l'aide d'un dis-

positif qui permet l'utilisation d'angles de fixation du

ménisque compris dans une grande plage. Un dispositif don-

nant une telle plage importante met en oeuvre un organe mouillé de stabilisation ou une nacelle comme indiqué par

la référence 330' sur la figure 29. Cet organe 330' est sup-

porté dans le creuset 144 à la face supérieure de la ma-

tière fondue, repérée par la référence 332'. Dans ce mode de réalisation, la nacelle 330' a une forme en U et a un

bord rectiligne 331 placé dans un plan horizontal, paral-

lèlement au plan du ruban 166. On note que ce ruban 166 est tiré en direction inclinée par rapport à la verticale

et un ménisque 333 se forme près du bord 331. Sur la fi-

gure 29, le ménisque 333 se fixe au bord 331 et à une li-

gne 334'formêe sur le ruban et au niveau de laquelle le

ruban se solidifie.

Il faut noter que la distance séparant le plan occupé par le ruban 166 et la droite 331 est finie afin

que le ménisque 333 se forme avec une courbure convenable.

Une nacelle 330'ou une structure analogue est mouillée

par la matière fondue et l'une de ses fonctions est d'as-

surer la formation, en face du point d'attachement du

ménisque inférieur, d'une région ne contenant pas de li-

quide. En fait, le bord du creuset peut constituer une

ligne d'attachement.

Les figures 30A et 30B représentent la mise en oeuvre d'un organe 330' de stabilisation. La figure 30A est une coupe verticale du ruban qui se forme sur la figure 29

et la figure 30B est un agrandissement de la région indi-

quée sur la figure 30A.

Comme l'indique la figure 30A, au point 338 de

fixation de la surface 340 du ménisque inférieur à l'or-

gane de stabilisation, l'angle de la surface 340 avec une horizontale est d'environ 600. Ceci se distingue de la

croissance directe à partir de la surface libre de la ma-

tière fondue, l'angle étant à peu près nul à la surface

de cette matière.

La figure 30B représente un dispositif per-

mettant la variation de l'angle de la surface du mé-

nisque par rapport à l'horizontale. Comme indiqué sur cette figure, le bord 331 de la nacelle 330'et légère- ment arrondi. Toute paire convenable de matières telles que du silicium fondu et un organe de stabilisation formé de graphite, détermine un angle de fixation de la matière fondue à l'organe de stabilisation, 30 par exemple pour

les matières indiquées. Cependant, l'angle de la sur-

face du ménisque avec l'horizontale peut varier puisque le ménisque est libre de se fixer au coin de l'organe

de stabilisation n'importe o le long du bord courbe.

Ainsi, la surface du ménisque peut se fixer au bord 331

dans toute une plage d'angles.

On considère maintenant la croissance en direc-

tion inclinée par rapport rapport à la surface de la ma-

tière fondue, dans le cas d'un ruban tiré verticalement.

La figure 31 représente une variante de crois-

sance de ruban en direction inclinée par rapport à la sur-

face de la matière fondue. Dans ce mode de réalisation, une pompe 400 élève la matière fondue 402 présente dans un creuset 404 et la place à la partie supérieure 406 d'une surface 408 d'une rampe inclinée 409. La matière fondue

qui se trouve à l'endroit 406 descend le long de la sur-

face 408 en se cristallisant en partie sous forme d'un ruban 410 qui se forme, la plus grande partie revenant

dans le bain 402.

Dans ce mode de réalisation, chaque fil 412 remonte dans un tube correspondant solidaire 414 et passe par un tube capillaire 416 de retenue placé dans une ouverture 418 formée dans la rampe 409 avant de sortir

dans la matière fondue comme indiqué par la référence 420.

Il faut noter que le courant qui descend le long a un débit suffisamment supérieur à celui qui est nécessaire à la croissance du cristal, l'excès revenant dans le bain

qui recircule dans l'ensemble.

La croissance à partir d'une surface inclinée présente plusieurs avantages par rapport à la croissance inclinée directement à partir de la surface libre de la

matière fondue. D'abord, il existe une excellente circu-

lation de la matière fondue sous l'interface de croissance,

étant donné la présence du courant de matière. Les impure-

tés rejetées à l'interface sont donc efficacement retirées.

Ensuite, tous les avantages de la croissance en direction inclinée se combinent à la commodité de fabrication et de

manipulation d'un ruban tiré verticalement.

La figure 32 représente une variante dans la-

quelle une rampe 421 est solidaire d'un creuset 422. Dans cette configuration, un fil 423 pénètre par un alésage

profond 424 puis passe dans un tube capillaire 426 de re-

tenue dont l'intérieur communique avec la face supérieure 428 d'une rampe 421. Le fil passe alors dans la matière fondue 430 qui s'écoule car elle est pompée par une pompe

432 dans le bain 434, le ruban 436 étant formé en direc-

tion verticale comme représenté. Cette configuration pré-

sente l'avantage d'une meilleure stabilité mécanique et

d'une meilleure uniformité thermique par rapport à la con-

figuration de la figure 31.

Le courant descendant la surface inclinée dé-

pend essentiellement des forces de gravité et de la vis-

cosité du fluide. Il faut noter que la surface du liquide

qui descend la rampe 421 est une surface libre et en con-

séquence elle est à la pression ambiante. En fait, si l'on considère le mécanisme de croissance du ruban vertical à partir d'une surface inclinée, on doit considérer que cette technique est une variante de la croissance du ruban en

direction inclinée par rapport à la-matière fondue. La si-

tuation est quelque peu modifiée puisque le déplacement du fluide le long de la rampe peut avoir un effet sur la

croissance et puisque la surface libre de la matière fon-

due n'est plus perpendiculaire au vecteur pesanteur. Ce-

pendant, les arguments qualitatifs fondamentaux indiqués précédemment en référence à la croissance du ruban en

direction inclinée par rapport à la surface fondue s'ap-

pliquent à cette configuration. L'examen des figures 31 et 32 montre que le ruban se forme avec une interface allongée, de la manière représentée sur la figure 24. En fait, la croissance à partir d'une surface inclinée peut

être considérée comme grossièrement parallèle à la crois-

sance en direction inclinée du ruban par rapport à une surface horizontale de la matière fondue, après rotation

de l'ensemble d'un angle tel que le ruban est formé ver-

ticalement, c'est-à-dire d'un angle 6i (figure 31) = a

(figure 24).

Dans le cas de la croissance en direction in-

clinée par rapport à la surface horizontale de la matière fondue, on a noté que le ruban prenait naturellement une

forme de rigole. La solution de ce problème, comme indi-

qué schématiquement sur la figure 28B, comprend la mise de L'angle de contact du ménisque avec la surface de la matière fondue à une valeur autre que l'angle de tangence

avec la surface de la matière fondue. La croissance ver-

ticale du ruban à partir d'une surface inclinéë pose le

même problème de formation d'un ruban en forme de rigole.

La solution de ce problème suit le principe indiqué en

référence à la figure 28B.

La figure 33. est une coupe d'un mode de réali-

sation correspondant à une croissance en direction incli-

née par rapport à la surface de la matière fondue, permet-

tant la formation d'un ruban plat. Dans ce mode de réalisa-

tion, la rampe 421 a une discontinuité nette comme indiqué par la référence 440, dans la face supérieure 428 si bien que l'inclinaison de la surface change nettement le long d'une horizontale parallèle au plan du ruban 436. Pour une large plage de débits, le courant 430 suit très étroitement cette discontinuité si bien que la surface de la matière fondue change nettement de direction. Comme l'indique en détail la figure 34, un ménisque 442 peut se fixer à la surface 444 de la matière fondue à tout emplacement autour du coin formé à l'emplacement 440 par la discontinuité du courant. Ainsi, la surface du ménisque doit toujours se raccorder tangentiellement à la surface locale de la matière fondue, lorsqu'elle change de position autour du coin formé par la discontinuité du courant, l'angle a de la surface du ménisque en ce point de fixation change,

lorsqu'il est mesuré par rapport à une droite de réfé-

rence telle qu'une horizontale 446. Ainsi, la disconti-

nuité du courant représentée sur la figure 34 a un rôle analogue à celui de la nacelle de stabilisation capillaire

de la figure 29.

Il faut noter que d'autres configurations géo-

métriques peuvent être utilisées, mettant en oeuvre une

discontinuité du courant pour la stabilisation du bord.

Le critère essentiel est la création d'une surface libre

de la matière fondue présentant un changement net de di-

rection. La figure 35 représente un mode de réalisation dans lequel la matière fondue est pompée dans un canal

central 460 vers le sommet d'une rampe 462 à double in-

clinaison, la matière s'écoulant alors le long de côtés inclinés de la rampe 462, comme indiqué par les références 464 et 466. Le changement net de direction de circulation dans la région 468 établit une plage d'angles de fixation et permet une plus grande plage de variationsde l'angle de la surface du ménisque avec l'horizontale que dans la configuration de la figure 33. Enfin, si on constate qu'une faible plage de variations possible d'angles de la surface

du ménisque par rapport à l'horizontale suffit à la sta-

bilisation de la croissance, on peut utiliser la configu-

ration représentée sur la figure 36. Dans cette configura-

tion, un courant 470 suit un canal peu profond 472 usiné dans la face supérieure 474 de la rampe 476, si bien que l'angle de la surface du ménisque peut être choisi dans une petite plage, à son point d'attachement à la matière fondue. Il faut noter que, dans certaines configurations

d'écoulement, une nervure dépassant vers le haut peut rem-

placer le canal 472 de la figure 36, en formant une discon-

tinuité du courant, permettant l'utilisation de toute une

plage d'angles de fixation.

En résumé, dans les modes de réalisation met-

tant en oeuvre une surface inclinée, une discontinuité de l'écoulement est utilisée afin que toute une plage d'angles de fixation permette la croissance d'un ruban

plan. La discontinuité du courant est établie en direc-

tion horizontale, dans un plan parallèle à celui du ruban formé et elle peut être créée par mise en oeuvre de différents procédés, avec formation de coins, de

sommets, de rigoles ou de nervures.

Toutes les configurations décrites nécessitent une pompe pour l'élévation de la matière fondue en haut de la rampe. Comme indiqué sur la figure 7, un pompage électromagnétique peut être utilisé, du courant circulant dans un tube 500 dans la direction indiquée par la flèche

502. Le tube est alors immergé dans la matière fondue 504.

Un champ magnétique perpendiculaire, comme indiqué par les croix 506, provoque un pompage qui crée un courant

ascendant 508 dans le tube, après application du courant.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre

d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'in-

vention.

Claims (77)

REVENDICATIONS

1. Procédé de formation continue de corps cristal-

lins ou semi-cristallins analogues à des rubans, à partir d'une matière fondue de même composition que le corps en forme de ruban, ce corps ayant une partie centrale mince allongée et plate dépourvue de discontinuité et formée directement par croissance à partir de la surface de la matière fondue, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: le tirage du corps en forme de ruban à partir de la surface de la matière fondue, et la stabilisation des positions des bords du corps en forme de ruban avec des fils placés le long des bords, les fils étant maintenus dans le ruban formé par

la matière solidifiée.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fils sont formés d'une matière différente

de la matière fondue.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fils traversent la matière fondue à une vitesse sensiblement égale à la vitesse de croissance du ruban.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que les fils délimitent les bords du ménisque pen-

dant la croissance du ruban.

5. Procédé selon la revendication 1t caractérisé

en ce que les fils sont mouillés par la matière fondue.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ruban est tiré en direction perpendiculaire

à la surface de la matière fondue.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que le ruban est tiré en direction autre que la di-

rection perpendiculaire à la surface de la matière fondue.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière fondue est le silicium, et les fils sont choisis dans le groupe qui comprend le graphite, le

carbone et le quartz.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière fondue est placée dans un creuset ouvert à sa partie supérieure, et les fils pénètrent dans la matière fondue par sa face supérieure et passent sur une poulie immergée puissortent de la matière fondue par

sa face supérieure.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière fondue est maintenue dans un creuset ayant des trous dans son fond, et les fils pénètrent dans la matière fondue par les trous, les forces de tension

superficielle retenant la matière fondue qui ne fuit pas.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière fondue est placée dans un creuset ayant des trous dans son fond, et les fils sont introduits par les trous, un gaz sous pression étant disposé à un emplacement qui entoure un fil afin qu'il compense la

pression induite par les forces de pesanteur dans la ma-

tière fondue et évite ainsi des fuites.

12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière fondue est placée dans un creuset ayant des trous à son fond, et un fil pénètre dans la matière fondue par un trou formé au fond du creuset, un courant circulant dans la matière fondue à proximité du point d'entrée du fil au fond du creuset, et un champ

magnétique est appliqué en direction sensiblement perpen-

diculaire à la direction du courant, le courant et le champ magnétique étant appliqués de manière que les forces

électromagnétiques induites dans la matière fondue com-

pensent l'action des forces de pesanteur agissant sur la

matière fondue et empêchent ainsi les fuites.

13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de matière fondue traversée par le fil est minimale si bien que l'introduction d'impuretés

du fil dans la matière fondue est minimale.

14. Procédé de réduction au minimum de l'introduc-

tion d'impuretés d'un fil dans une matière fondue, dans un appareil de formation d'un ruban stabilisé par des fils, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend le

refroidissement du fil avant sa pénétration dans la ma-

tière fondue, d'une manière suffisante pour que le fil refroidi provoque une solidification rapide d'une couche de matière autour du fil et bloque les impuretés.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que.la capacité calorifique du fil est suffisamment

élevée pour que la couche solidifiée se maintienne jus-

qu'à la sortie du fil de la matière fondue.

16. Procédé de réduction au minimum de l'introduc-

tion d'impuretés d'un fil dans une matière fondue, au cours d'une croissance d'un ruban stabilisé par des fils à partir de la matière fondue, ledit procédé comprenant la circulation d'un courant le long du fil qui est formé d'une matière formant, avec la matière fondue, un couple thermoélectrique tel que, lorsqu'un courant circule dans

le fil, celui-ci se refroidit par effet Peltier, la ma-

tière fondue se solidifiant rapidement en formant une couche de matière solidifiée autour du fil à son entrée dans la matière fondue, si bien que les impuretés sont bloquées.

17. Procédé de réduction au minimum de l'introduc-

tion d'impuretés de la matière fondue dans un ruban formé

à partir d'une matière fondue, ledit procédé étant carac-

térisé en ce qu'il comprend la circulation continue de la matière fondue au-dessous de l'interface de croissance,

en direction sensiblement perpendiculaire au plan du ru-

ban en cours de formation si bien que les impuretés qui s'accumulent par ségrégation d'impuretés à l'interface de

croissance sont retirées.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la circulation de la matière fondue est induite

par une agitation électromagnétique.

19. Procédé de réduction au minimum de l'introduction d'impuretés provenant d'une matière fondue dans un cristal formé à partir de cette matière, la matière fondue étant renouvelée constamment à l'aide de matière neuve, ledit

procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend le déverse-

ment continu d'une quantité de la matière fondue pendant l'opération de renouvellement, afin que la concentration des impuretés soit réduite dans la matière fondue et en conséquence dans le cristal formé.

20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le déversement est réalisé par disposition de

la matière fondue dans un creuset, par formation d'un ori-

fice de sortie dans le creuset, et par l'application d'une force d'origine électromagnétique au niveau de l'orifice de sortie, cette force s'opposant à l'écoulement dans

l'orifice de sortie.

21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la matière fondue est placée dans un creuset, le creuset a un orifice de sortie, et un dispositif est destiné à provoquer alternativement la solidification et la fusion de la matière qui se trouve à l'orifice de

sortie afin que le déversement soit réglé.

22. Ruban cristallin ou semi-cristallin, ayant une nappe centrale continue et des bords bien délimités, caractérisé en ce que le ruban contient des fils disposés

le long de ses bords et à l'intérieur de ceux-ci.

23. Ruban selon la revendication 22, caractérisé

en ce que sa matière est solidifiée autour des fils.

24. Ruban selon la revendication 22, caractérieé

en ce que les fils sont mouillés. par la matière du ruban.

25. Ruban selon la revendication 22, caractérisé en ce que les fils sont en une matière différente de celle

du ruban.

26. Appareil de formation continue de corps cristal-

lins ou semi-cristallins en forme de ruban par croissance a partir d'une matière fondue de même composition que le corps, celui-ci ayant une partie centrale allongée et plate sans discontinuité, formée directement à partir de

la surface de la matière fondue, ledit appareil étant ca-

ractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (164) de tirage du corps en forme de ruban à partir de la surface de la matière fondue, et

un dispositif de stabilisation de la partie mar-

ginale du corps, ce dispositif comprenant des fils distants (242) placés le long des bords, les fils étant maintenus dans le ruban formé par solidification de la matière du ruban.

27. Appareil selon la revendication 26, caractérisé

en ce que les fils (242) sont formés d'une matière diffé-

- rente de la matière fondue.

28. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (164) de circulation des fils dans la matière fondue pratiquement à une vitesse

égale à la vitesse de croissance du ruban.

29. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce que les fils (242) définissent les bords du ménisque

pendant-la croissance du ruban.

30. Appareil selon la revendication 26, caractérisé

en ce que les fils (242) sont mouillés par la matière fon-

due.

31. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (164) de tirage du ruban en direction perpendiculaire à la surface de la

matière fondue.

32. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de tirage du ruban en direction faisant un angle différent d'un angle

droit avec la surface de la matière fondue.

33. Appareil selon la revendication 26, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre un creuset ouvert à sa par-

tie supérieure et destiné à contenir la matière fondue (32), et un dispositif destiné à introduire les fils (34)

dans la matière fondue par sa face supérieure, ce dispo-

sitif comprenant une poulie immergée (44) et un dispositif

destiné à faire avancer les fils autour de la poulie im-

mergée afin que les fils sortent de la-matière fondue par

sa face supérieure.

34. Appareil selon la revendication 26, caractérisé

2473È72

en ce qu'il comprend un creuset (52) destiné à contenir la matière fondue et ayant des trous (50) dans son fond, et un dispositif destiné à introduire les fils dans la

matière fondue par les trous, les forces de tension su-

perficielle retenant la matière fondue qui ne fuit pas.

35. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend un creuset (64) destiné à contenir la matière fondue et ayant des trous (62) dans son fond, un dispositif d'introduction des fils (34) par les trous,

et un dispositif (60) de transmission d'un gaz sous pres-

sion à un emplacement entourant le fil afin que la pres-

sion provoquée par les forces de pesanteur de la matière fondue soit compensée et que les fuites soient ainsi évitées.

36. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un creuset (72) destiné à contenir la matière fondue et ayant des trous (70) dans son fond, un dispositif d'introduction d'un fil (34) par un trou du fond du creuset, un dispositif (76) destiné à faire circuler un courant dans la matière fondue à

proximité du point d'entrée du fil, vers le fond du creu-

set, et un dispositif destiné à appliquer un champ magné-

tique en direction sensiblement perpendiculaire à la direction du courant, le courant et le champ magnétique

étant appliqués de manière que les forces électromagné-

tiques induites dans la matière fondue compensent les forces de pesanteur agissant sur la matière fondue et

évitent les fuites.

37. Appareil destiné à réduire au minimum l'intro-

duction d'impuretés d'un fil dans une matière fondue, dans un appareil de formation de ruban stabilisé par des

fils, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il com-

prend un dispositif de refroidissement du fil avant qu'il pénètre dans la matière fondue, d'une manière suffisante pour que le fil refroidi provoque une solidification rapide

d'une couche de matière autour du fil et bloque les im-

puretés.

38. Appareil selon la revendication 37, caractérisé en ce que la capacité calorifique du fil est suffisante pour que la couche reste solidifiée jusqu'à la sortie du

fil de la matière fondue.

39. Appareil destiné a réduire au minimum l'introduc- tion d'impuretés d'un fil dans une matière fondue, au cours

d'une croissance d'un ruban stabilisé par des fils à par-

tir de ladite matière fondue, ledit appareil étant carac-

térisé en ce qu'il comprend un dispositif (80) destiné à faire circuler un courant le long du fil, le fil (34)

étant formé d'une matière qui forme, avec la matière fon-

due, un couple thermoélectrique tel que, lorsque le cou-

rant circule dans le fil, celui-ci est refroidi par effet Peltier, la matière fondue se solidifiant rapidement en formant une couche autour du fil lorsque celui-ci pénètre dans la matière fondue si bien que les impuretés sont bloquées.

40. Appareil destiné à réduire au minimum l'introduc-

tion d'impuretés de la matière fondue dans un ruban formé par croissance à partir de la matière fondue, caractérisé

en ce qu'il comprend un dispositif destiné à faire circu-

ler constamment la matière fondue au-dessous de l'inter-

face de croissance, en direction sensiblement perpendicu-

laire au plan du ruban formé si bien que les impuretés

qui s'accumulent par ségrégation à l'interface de crois-

sance, sont retirées.

41. Appareil selon la revendication 40, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif destiné à

provoquer un écoulement par agitation électromagnétique.

42. Appareil destiné à réduire au minimum l'intro-

duction d'impuretés d'une matière fondue dans un cristal

formé à partir de celle-ci, la matière fondue étant re-

nouvelée constamment à l'aide de matière nouvelle, ledit

appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispo-

sitif (120) de déversement constant d'une quantité de ma-

tière fondue pendant l'opération de renouvellement.

43. Appareil selon la revendication 42, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre un creuset ayant un ori-

fice de sortie et un dispositif destiné à appliquer un champ électromagnétique à l'orifice de sortie afin que

celui-ci limite le courant dans cet orifice.

44. Appareil selon la revendication 42, caractérisé

en ce qu'il comprend un creuset ayant un orifice de sor-

tie, et un dispositif destiné à assurer alternativement la solidification et la fusion de la matière qui se trouve

& l'orifice de sortie afin que le déversement soit réglé.

45. Appareil de formation continue par croissance d'un ruban cristallin ou semi-cristallin ayant des fils de stabilisation des bords, à partir d'une matière fondue, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend une chambre (136), un creuset (144) ayant une cavité destinée à contenir la matière fondue, un dispositif (170) de support du creuset dans la chambre, un dispositif (192) d'introduction des fils dans la cavité contenant la matière fondue, les fils étant distants mais proches, un dispositif (164) de tirage des fils, et un dispositif (198) de chauffage du creuset, tel

que le ruban se forme par croissance entre les fils lors-

que ceux-ci sont tirés à partir de la matière fondue.

46. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce que le creuset (144) a des canaux (196) dépassant latéralement au-dessous de la cavité contenant la matière fondue, et le dispositif de chauffage comprend des tiges

(198) ayant des parties placées dans les canaux.

47. Appareil selon la revendication 46, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comporte des blocs (200) de contact, conducteurs de l'électricité, montés sur les côtés opposés du creuset, chaque bloc de contact ayant des ouvertures destinées à loger les extrémités des tiges de chauffage qui peuvent y coulisser élastiquement afin que l'extrémité des tiges de chauffage puisse se déplacer longitudinalement par rapport à un bloc correspondant de contact, en permettant la contraction et la dilatation

des tiges.

48. Appareil selon la revendication 47, caractérisé en ce que les extrémités des tiges ont des fentes longi-

tudinales (290) permettant la compression radiale de l'ex-

trémité correspondante.

49. Appareil selon la revendication 48, caractérisé en ce qu'une fente (290) est disposée dans un plan et passe totalement à travers, d'un côté d'une extrémité à l'autre.

50. Appareil selon la revendication 47, caractérisé en ce que l'extrémité de la tige de chauffage comporte une

partie annulaire (286) en-saillie.

51. Appareil selon la revendication 45, caractérisé

en ce que le dispositif de support du creuset (144) com-

porte des plots (180-186) de support destinés à être au

contact du fond du creuset, deux plots diamétralement op-

posés de support (180, 186) ayant des axes de positionne-

ment (234) à leurs parties supérieures, le fond du creu-

set comprenant des fentes (232) disposées radialement et destinées à loger les axes, si bien que le creuset (144) peut être mis en position dans la chambre et supporté dans celle-ci, l'orientation angulaire du creuset étant préservée par la coopération des axes et des fentes, quelles

que soient la dilatation et la contraction du creuset.

52. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce que le dispositif de support du creuset dans la chambre comprend un socle (170) ayant un alésage central (194'), un tube (248) remontant dans l'alésage central, et un dispositif de fixation du tube qui remonte dans l'alésage central vers le centre du fond du creuset, ce

dernier étant disposé perpendiculairement au socle.

53. Appareil selon la revendication 52, caractérisé en ce que le tube (248) passant dans le socle comprend un

dispositif de détection de température monté à son extré-

mité.

54. Appareil selon la revendication 53, caractérisé

en ce que le dispositif de détection de température com-

prend un thermocouple, et le tube passant dans l'alésage central (194') du socle a un alésage central de diamètre suffisant pour qu'il permette le logement du thermocouple, le tube assurant à la fois le positionnement du creuset

et la protection du thermocouple.

55. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce que le creuset (144) a des ouvertures (192) au fond de la cavité, destinées à loger les fils à proximité mais à distance, le creuset comprenant de plus des tubes (252) dépassant vers le bas, ayant chacun une première extrémité qui communique avec l'une des ouvertures, les

tubes ayant un diamètre permettant la retenue de la ma-

tière fondue par capillarité.

56. Appareil selon la revendication 55, caractérisé en ce que chacun des tubes (252) comprend un dispositif placé à l'extérieur du tube, à l'extrémité opposée à celle qui communique avec une ouverture afin que la progression du ménisque à l'extérieur du tube soit évitée.

57. Appareil selon la revendication 56, caractérisé en ce que le dispositif destiné à empêcher la progression du ménisque comporte une discontinuité (302) formée à la

face externe du tube (271).

58. Appareil selon la revendication 55, caractérisé

en ce que le creuset (272) a un alésage borgne à proxi-

mité de chaque ouverture, un tube correspondant (271) étant placé dans un alésage borgne correspondant de manière que les parois de l'alésage borgne soient distantes du tube correspondant, la chaleur de la partie du creuset qui entoure un tube empêchant la solidification de la matière

fondue dans le tube.

59. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un socle (170) placé dans la chambre et ayant des ouvertures destinées à loger les plots de support et de positionnement et les fils, une garniture inférieure (176) d'isolation montée sur le socle et ayant des ouvertures destinées à loger les plots de support et de positionnement et les fils, le creuset étant monté sur la garniture inférieure,

une garniture supérieure (210) d'isolation en-

tourant les côtés du creuset et supportée par la garniture inférieure d'isolation, la garniture supérieure ayant des ouvertures destinées à loger les plots de positionnement

et des ouvertures formées dans ses parois latérales op-

posées pour le logement des tiges de chauffage, des plots de positionnement (178) montés sur le socle dans les ouvertures correspondantes, ces plots passant dans les garnitures inférieure et supérieure, des plots (180-186) de support de creuset montés dans les ouvertures correspondantes du socle et dépassant

par des ouvertures correspondantes de la garniture infé-

rieure, deux blocs (200) de contact de dispositif de chauffage,

des plots (204) de support destinés au position-

nement des blocs de contact à proximité de côtés opposés du creuset, ces plots de support des blocs étant isolés électriquement par rapport au socle sur lequel ils sont montés, le creuset ayant des canaux disposés latéralement et traversant son fond, et des tiges de chauffage (198) dépassant d'un bloc de contact par les ouvertures d'une paroi latérale de la garniture supérieure, passant dans les canaux formés dans le creuset puis dans les ouvertures de la paroi latérale

opposée de la garniture supérieure d'isolation, vers l'au-

tre des blocs de contact.

60. Appareil selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un blindage thermique (216) placé au-dessus du creuset et fixé à la partie supérieure de la garniture supérieure (210), le blindage ayant des

plaques distantes horizontalement et verticalement, l'es-

pacement en direction verticale laissant de la place pour la sortie du ruban formé par tirage des fils à partir du creuset.

61. Appareil selon la revendication 59, caractérisé en ce que lê creuset et le dispositif'de support du creu-

set sont formés de carbone.

62. Appareil selon la revendication 45, caractérisé

en ce qu'il comporte en outre un dispositif (311) de dé-

versement de la matière fondue du creuset.

63. Appareil selon la revendication 62, caractérisé en ce que le dispositif de déversement de matière fondue

comprend un conduit (311) communiquant à une première ex-

trémité avec la cavité contenant la matière fondue, la

longueur et le diamètre du conduit étant tels que la ma-

tière fondue ne peut pas fuir étant donné qu'elle est retenue par effet capillaire, un réceptacle (314) placé à l'autre extrémité du conduit, et

un dispositif (316) communiquant avec le récep-

tacle et destiné à évacuer le conduit, si bien que la ma-

tière fondue du creuset s'égoutte dans le réceptacle.

64. Appareil selon la revendication 62, caractérisé

en ce que le creuset comporte des tubes (330) d'introduc-

tion de fils destinés à supporter une hauteur prédéter-

minée de matière fondue, le dispositif de déversement comprenant un capillaire (311) communiquant avec la cavité qui contient la matière fondue et ayant un diamètre et une longueur tels qu'il supporte une hauteur de matière fondue telle que le déversement de la matière fondue a

lieu par le capillaire plutôt que par un tube d'introduc-

tion de fil lorsqu'une quantité supplémentaire de matière

est ajoutée dans le bain de matière fondue.

65. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif permettant la variation de l'orientation angulaire de la surface du ménisque à son point de fixation inférieure, si bien que la déformation du ruban est évitée lorsque le ruban

est tiré en direction non verticale.

66. Appareil selon la revendication 65, caractérisé

en ce que le dispositif permettant la variation de l'orien-

tation angulaire comporte un organe (330') qui est mouillé par la matière fondue.

67. Appareil selon la revendication 66, caractérisé en ce que ledit organe (330') a une paroi ayant un bord rectiligne (338) parallèle au plan du ruban et distant

de ce plan.

68. Appareil selon la revendication 66, caractérisé en ce que ledit organe (330') a une section en U.

69. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce que le creuset a une surface inclinée (428) ayant des ouvertures d'introduction de fils qui la traversent,

ces ouvertures étant disposées à travers la surface in-

clinée et étant espacées horizontalement tout en étant proches, le dispositif de tirage de fils comprenant un

dispositif destiné à- tirer les fils en direction verti-

cale par les ouvertures d'introduction de fils, l'appareil comprenant en outre un dispositif (432) destiné à conduire la matière fondue du creuset vers la face supérieure de la surface inclinée afin que cette matière fondue s'écoule le long de la surface inclinée vers l'emplacement auquel

les fils sont tirés par les ouvertures.

70. Appareil selon la revendication 69, caractérisé en ce que le dispositif destiné à conduire la matière

fondue comporte un conduit (500) dont une première extré-

mité est immergée dans la matière fondue et un dispositif de pompage électromagnétique de la matière fondue dans le

conduit.

71. Appareil selon la revendication 69, caractérisé en ce que la surface inclinée comporte un dispositif (440)

destiné à former une discontinuité dans le courant pas-

sant au-dessus des ouvertures d'introduction des fils, cette discontinuité se trouvant dans un plan parallèle au

ruban si bien que la croissance d'un ruban plan est faci-

litée.

72. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce que le creuset (272) a des ouvertures formées dans son fond et destinées à permettre l'introduction des fils, le creuset ayant des tubes (271) qui dépassent vers le bas au niveau des ouvertures d'introduction de fils, l'appa- reil comprenant en outre des tubes (252) de guidage de fils destinés à être placés près des tubes qui dépassent vers le bas afin que les fils soient guidés lorsqu'il est souhaitable que les fils soient introduits par les tubes

dépassant vers le bas, dans la cavité du creuset.

73. Appareil selon la revendication 72, caractérisé en ce que les tubes (252) de guidage de fils comportent

des éléments rapportés (274) à chaque extrémité, ces élé-

ments rapportés ayant un alésage central muni d'un chan-

frein ouvert à chaque extrémité de l'élément rapporté.

74. Appareil selon la revendication 45, caractérisé en ce que le creuset (144) a des ouvertures d'introduction de fils formées dans son fond et il comporte en outre un dispositif (254) destiné à former une chambre de gaz inerte à proximité des ouvertures d'introduction des-fils par le

fond du creuset.

75. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

* en ce que les fils sont formés de carbure de silicium.

76. Appareil destiné à réduire au minimum l'intro-

duction d'impuretés d'une matière fondue dans un cristal

formé à partir de cette matière qui est renouveléecons-

tamment par de la matière nouvelle, dans un creuset ayant une cavité destinée à contenir la matière fondue, ledit

appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispo-

sitif destiné à déverser constamment une certaine quantité de la matièrefondue pendant l'opération de renouvellement, le dispositif de déversement comprenant un conduit (311) dont une première extrémité communique avec la cavité contenant la matière fondue, la longueur et le diamètre du conduit étant tels que la matière fondue ne peut pas s'échapper car elle est retenue par effet capillaire, un réceptacle (314) placé à l'autre extrémité du conduit, et un dispositif (312) communiquant avec le réceptacle et destiné à évacuer le conduit, afin que la matière fondue

du creuset s'égoutte dans le réceptacle.

77. Appareil destiné à réduire au minimum l'intro-

duction d'impuretés d'une matière fondue dans un cristal formé à partir de cette matière qui est renouvelée de

façon continue par de la matière nouvelle, dans un creu-

set ayant une cavité contenant la matière fondue, ledit

appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un dis-

positif destiné à déverser de façon continue une cer-

taine quantité de la matière fondue pendant l'opération

de renouvellement, le creuset ayant des tubes (330) d'in-

troduction de fils capables de supporter une hauteur

prédéterminée de matière fondue sans fuite, le disposi-

tif de déversement comprenant un capillaire (311) commu-

niquant avec la cavité contenant la matière fondue et ayant un diamètre et une longueur permettant le support d'une certaine hauteur de matière fondue telle que le

déversement de la matière fondue s'effectue par le capil-

laire de déversement plutôt que par un tube d'introduction de fils, lorsqu'une quantité supplémentaire de matière

est ajoutée dans la matière fondue.