FR2954764A1 - Manufacturing silica crucible by fusion of quartz powder in porous mold connected to aspiration system, comprises perfoming primary fusion of quartz powder into dense silica layer, and performing secondary fusion of quartz powder - Google Patents
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Abstract
Description
CREUSET EN SILICE L'invention concerne le domaine de la fabrication des creusets en silice utilisable notamment pour la croissance de silicium monocristallin dans l'industrie des semi-conducteurs. La fusion de poudre de quartz par un arc électrique est une méthode très largement répandue pour fabriquer des creusets en quartz. La matière première est introduite dans un moule creux en rotation et la force centrifuge permet de répartir et maintenir la poudre de quartz sur les parois de ce moule. L'utilisation d'un moule poreux et d'une aspiration agissant au travers de ce moule poreux participe également au maintient de la poudre. Le chauffage par un arc électrique permet ensuite de réaliser la fusion et ainsi fabriquer le creuset. Un problème important se posant lors de la fabrication de ces creusets est l'emprisonnement de bulles de gaz dans la paroi du creuset à proximité de la surface interne. En effet, pendant la croissance du monocristal, le creuset est lentement corrodé. Cette érosion mène à l'ouverture de bulles emprisonnées dans le creuset, ce qui conduit à la libération de gaz et de particules de silice dans le bain de silicium. Ces impuretés sont à l'origine de défauts de croissance des cristaux. Il faut donc éviter la formation de bulles à proximité de la surface interne du creuset de silice. On cherche à éviter la présence de ces bulles sur une profondeur d'au moins un millimètre et si possible plus, à partir de la surface interne du creuset. La présence d'une couche de bulles située vers la paroi extérieure du creuset est par contre souhaitée car ces bulles contribuent à l'isolation thermique du creuset de silice et à un chauffage plus homogène du bain de silicium. Le JP62-315113 enseigne la préparation d'un creuset en Quartz en présence d'hélium ou d'hydrogène. Le FR2726820 propose également d'injecter de l'hélium ou de l'hydrogène au travers des parois latérales du creuset. Cette introduction de gaz va à l'encontre des forces centrifuges qui doivent assurer le plaquage de la poudre contre le moule. Cette introduction réduit l'efficacité thermique du système. On peut s'attendre à obtenir ainsi un aspect de surface très imparfait ce qui est rédhibitoire pour ce type de creuset en quartz. 2 Le US5913975 enseigne la préparation d'un creuset en Quartz en l'absence de gaz insoluble dans le silicium comme l'argon. Le moule est alimenté en poudre de silice par un conduit central traversant un couvercle. L'atmosphère dans le moule est introduite soit par les bords du moule, soit par le conduit central d'alimentation en poudre. Le US5989021 enseigne la réalisation d'un creuset en Quartz dans un moule muni d'ouverture au travers desquelles un vide peut être exercé. Le remplissage en poudre de silice est réalisé en deux temps. Un creuset en silice peu poreux à sa surface interne est ainsi réalisé. The invention relates to the field of the manufacture of silica crucibles usable especially for the growth of monocrystalline silicon in the semiconductor industry. The melting of quartz powder by an electric arc is a very widespread method for making quartz crucibles. The raw material is introduced into a hollow mold in rotation and the centrifugal force makes it possible to distribute and maintain the quartz powder on the walls of this mold. The use of a porous mold and a suction acting through this porous mold also contributes to the maintenance of the powder. The heating by an electric arc then makes it possible to carry out the fusion and thus to manufacture the crucible. An important problem arising in the manufacture of these crucibles is the imprisonment of gas bubbles in the wall of the crucible near the inner surface. Indeed, during the growth of the single crystal, the crucible is slowly corroded. This erosion leads to the opening of bubbles trapped in the crucible, which leads to the release of gas and silica particles in the silicon bath. These impurities are at the origin of crystal growth defects. It is therefore necessary to avoid the formation of bubbles near the internal surface of the silica crucible. It is sought to avoid the presence of these bubbles to a depth of at least one millimeter and if possible more, from the inner surface of the crucible. The presence of a layer of bubbles located towards the outer wall of the crucible is desired against as these bubbles contribute to the thermal insulation of the silica crucible and to a more homogeneous heating of the silicon bath. JP62-315113 teaches the preparation of a quartz crucible in the presence of helium or hydrogen. FR2726820 also proposes to inject helium or hydrogen through the side walls of the crucible. This introduction of gas goes against the centrifugal forces which must ensure the plating of the powder against the mold. This introduction reduces the thermal efficiency of the system. We can expect to obtain a very imperfect surface appearance and this is unacceptable for this type of quartz crucible. US5913975 teaches the preparation of a quartz crucible in the absence of silicon insoluble gas such as argon. The mold is fed with silica powder through a central duct passing through a cover. The atmosphere in the mold is introduced either by the edges of the mold, or by the central supply pipe powder. US5989021 teaches the production of a quartz crucible in a mold having an opening through which a vacuum can be exerted. The silica powder filling is carried out in two stages. A low porosity silica crucible on its inner surface is thus produced.
Le US6546754 enseigne un enseigne la réalisation d'un creuset en Quartz dans un moule muni d'ouverture au travers desquelles un vide peut être exercé. Une circulation de gaz est créée tout autour du creuset afin de bien contrôler l'atmosphère gazeuse à l'intérieur du creuset. Le US2007/0051296 enseigne la réalisation d'un creuset en Quartz dans un moule muni d'ouverture au travers desquelles un vide peut être exercé. Le dispositif n'a aucun couvercle. Une couche de silice peu poreuse à l'intérieur du creuset est créée en jouant sur la vitesse d'évacuation des gaz. Comme autre document de l'état de la technique, on peut citer le US6797061. US6546754 teaches a sign making a quartz crucible in an opening mold through which vacuum can be exerted. A circulation of gas is created around the crucible to control the gaseous atmosphere inside the crucible. US2007 / 0051296 teaches the production of a quartz crucible in a mold with opening through which a vacuum can be exerted. The device has no lid. A low porosity silica layer inside the crucible is created by adjusting the gas evacuation rate. As another document of the state of the art, mention may be made of US6797061.
L'invention a pour objet un procédé simple permettant de fondre des creusets en silice fondue parfaitement adapté au tirage des mono cristaux de silicium car quasi exempts de bulles en surface intérieure. Ce procédé associe l'utilisation d'un arc électrique comme moyen de chauffage à un couvercle muni d'une ouverture de dimension réglable, et pouvant être en deux parties mobiles. The subject of the invention is a simple process for melting crucibles made of fused silica which is perfectly adapted to the drawing of mono-silicon crystals because they are virtually free of bubbles on the inner surface. This method combines the use of an electric arc as a heating means to a lid having an opening of adjustable size, and which can be in two moving parts.
La poudre de quartz à fondre est disposée sur un moule poreux en rotation. Ce dispositif améliore considérablement le transfert thermique entre l'arc électrique et la poudre de quartz à fondre en tout début de chauffe. Le cas échéant, l'injection d'un gaz approprié au début de fusion entre le couvercle et le moule poreux garni de poudre de quartz permet de contrôler l'atmosphère dans laquelle est réalisée la fusion. Ceci contribue encore à diminuer le nombre de bulle de surface. Le suivi de la pression dans le système de pompage permet de déterminer avec précision le moment ou il faut stopper l'injection de gaz et ouvrir le couvercle afin de continuer la fusion avec un plasma d'air. The quartz powder to be melted is disposed on a porous mold in rotation. This device considerably improves the heat transfer between the electric arc and the quartz powder to be melted at the very start of heating. If appropriate, the injection of a suitable gas at the beginning of fusion between the lid and the porous mold filled with quartz powder makes it possible to control the atmosphere in which the melting is carried out. This further contributes to reducing the number of surface bubbles. Monitoring the pressure in the pumping system makes it possible to precisely determine when to stop the gas injection and open the lid to continue melting with an air plasma.
L'invention permet l'obtention d'un creuset en silice pratiquement exempt de bulles à proximité de sa face interne, et ce sur une épaisseur à compter de sa face interne pouvant être d'au moins 0,5 mm voire même d'au moins 1 mm, allant généralement de 0,5 à 2 mm, tout en ayant une zone riche en bulles du côté de la face externe. Par pratiquement exempt de bulle, on entend que l'on peut compter sur la face intérieure de 0 à 2 bulles sur 5 mm2. Ce comptage peut être réalisé à l'aide d'une caméra muni d'un dispositif d'analyse d'image. La focale de l'objectif de la caméra est choisie en fonction de l'épaisseur sur laquelle on veut déterminer le nombre de bulles. On peut choisir un dispositif optique délivrant une image nette sur une profondeur de 0,5 mm, 1 mm ou 2 mm selon le cas souhaité. Dans ce cas, on mesure le nombre de bulles se trouvant entre la surface intérieure du creuset et une profondeur respectivement de 0,5 mm, 1 mm ou 2 mm. The invention makes it possible to obtain a silica crucible substantially free of bubbles near its internal face, and this over a thickness from its internal face which can be at least 0.5 mm or even from minus 1 mm, generally ranging from 0.5 to 2 mm, while having a zone rich in bubbles on the side of the outer face. By practically bubble-free, it is meant that the inner side can be counted from 0 to 2 bubbles over 5 mm 2. This count can be performed using a camera provided with an image analysis device. The focal length of the camera lens is chosen according to the thickness on which we want to determine the number of bubbles. It is possible to choose an optical device delivering a sharp image at a depth of 0.5 mm, 1 mm or 2 mm, depending on the desired case. In this case, the number of bubbles located between the inner surface of the crucible and a depth of respectively 0.5 mm, 1 mm or 2 mm is measured.
Après avoir réalisé une analyse fine des phénomènes de frittage et de la fusion des grains de quartz, les inventeurs ont acquis la conviction qu'il convenait de chauffer les grains de quartz le plus vite possible en tout début de procédé puis chauffer de façon beaucoup plus modérée. La première phase à chauffe rapide conduit au frittage puis à la fusion d'une couche superficielle des grains de quartz disposés à la surface interne du creuset et cette fusion ferme la porosité de cette surface interne (formation d'une peau étanche). En accélérant cette étape on réduit considérablement l'emprisonnement de gaz dans des bulles situées a proximité de la surface car la peau de silice fondue formée rapidement au début de la chauffe ferme la porosité du creuset en formation, ce qui permet au vide de jouer pleinement son rôle sur le maximum de matière très rapidement après le début du procédé. Selon l'invention, le chauffage ultra rapide de la silice en début de procédé est réalisé en obligeant les gaz entrant dans le creuset en formation à passer dans le plasma d'arc généré autour des électrodes. Cette canalisation des gaz dans le plasma peut être réalisée grâce à un couvercle selon l'invention. L'augmentation du flux de gaz dans le plasma produit une augmentation de son intensité. Simultanément, on aspire par un pompage intense les gaz chauffés dans le plasma au travers du moule afin qu'ils transfèrent leur chaleur le plus vite possible à la poudre de quartz. C'est ce transfert le plus rapide possible du gaz le plus chaud possible au travers de la poudre de quartz qui produit un plus fort gradient thermique dans l'épaisseur de cette poudre et conduit à la fermeture de la porosité à la surface interne du creuset située vis-à-vis du plasma par formation d'une mince couche étanche (ou peau) de silice fondue. On a en effet obtenu la conviction que la vitesse des gaz au travers de la poudre de quartz et du moule était fondamentale car cette vitesse joue un rôle très important pour transférer la puissance électrique délivrée aux électrodes vers la poudre de quartz. Bien entendu, il faut le maximum de flux gazeux dans la mesure où le plasma est capable de le chauffer. Il y a donc aussi une limite maximale au flux de gaz introduit dans le moule car il convient d'obtenir le plasma le plus chaud et le plus énergétique possible. Ce mode de transfert d'énergie peut être révélé en comparant la fusion d'un creuset avec fonctionnement ou arrêt du système de pompage au début. Dans le cas d'un creuset de 18", les inventeurs ont constaté que pour une puissance de 500 kw et un débit total de 150 m3 normaux par heure au travers de la poudre de quartz avant allumage de l'arc, la porosité de surface était fermée en 50 secondes. Dans les mêmes conditions de l'essai mais sans aspiration au travers de la paroi du moule, la porosité de surface était fermée en 120 secondes. Ceci montre que le flux de gaz au travers de la poudre de quartz et du moule est un paramètre essentiel dans le transfert thermique. La focalisation des gaz entrant vers le plasma peut être obtenue grâce à l'usage d'un couvercle amovible horizontal muni d'une ouverture pour entourer les électrodes. Les électrodes produisant le plasma passent par cette ouverture. Ce couvercle est avantageusement du type diaphragme, ce qui signifie que son ouverture a une géométrie que l'on peut ajuster (notamment agrandir ou diminuer) pour optimiser le flux gazeux allant vers le plasma. Quand une peau dense de silice suffisamment épaisse (0,5 à 2,5 mm) est formée, ce qui se voit lorsque la pression dans le circuit d'aspiration a diminué et tend vers une valeur asymptotique, on peut réduire la puissance du plasma et l'on peut ouvrir le couvercle car le mode de transfert thermique ne se fait plus que par rayonnement, par conduction et convexion, cette convexion étant principalement due aux turbulences des gaz induites par les instabilité de plasma. Après avoir ouvert ou retiré le couvercle, le plasma devient un plasma d'air. Le couvercle est donc de préférence ouvert ou éloigné du creuset en formation pendant la première intensité d'aspiration, de la silice dense continuant à se former. On peut alors amener au dessus du pot de fusion un écran thermique destiné à améliorer le rendement. Cet écran peut être pré-positionné au dessus du pot dès le début du procédé, et abaissé après avoir retiré le couvercle. Cet écran n'a pas la même fonction que le couvercle car il ne réalise pas une étanchéité avec le bord du moule et ne focalise pas de gaz dans le plasma. Cet écran sert juste à limiter les pertes thermiques sans exercer de focalisation de gaz ni d'étanchéité avec le moule. On appelle pot de fusion le support du moule poreux. Il y a un espace entre le pot de fusion et le moule pour répartir le flux d'aspiration entre toutes les ouvertures du moule poreux. After having performed a fine analysis of the sintering phenomena and the melting of the quartz grains, the inventors have acquired the conviction that it is necessary to heat the quartz grains as quickly as possible at the very beginning of the process and then to heat up much more. moderate. The first fast heating phase leads to the sintering and then to the melting of a surface layer of quartz grains arranged on the inner surface of the crucible and this fusion closes the porosity of this internal surface (formation of a sealed skin). Accelerating this step considerably reduces the entrapment of gas in bubbles located near the surface because the fused silica skin formed quickly at the beginning of the heating closes the pores of the crucible in formation, allowing the vacuum to play fully. its role on the maximum of matter very quickly after the beginning of the process. According to the invention, the ultra rapid heating of the silica at the beginning of the process is carried out by forcing the gases entering the crucible in formation to pass into the arc plasma generated around the electrodes. This piping of gases in the plasma can be achieved by means of a lid according to the invention. The increase in the flow of gas in the plasma produces an increase in its intensity. At the same time, the gases heated in the plasma are drawn through the mold by intense pumping so that they transfer their heat as quickly as possible to the quartz powder. This is the fastest possible transfer of the hottest gas possible through the quartz powder which produces a greater thermal gradient in the thickness of this powder and leads to the closure of the porosity on the inner surface of the crucible located vis-à-vis the plasma by forming a thin layer sealed (or skin) of fused silica. It has indeed been obtained that the velocity of the gases through the quartz powder and the mold is fundamental because this speed plays a very important role in transferring the electric power delivered to the electrodes to the quartz powder. Of course, it takes the maximum gas flow to the extent that the plasma is able to heat it. There is therefore also a maximum limit to the flow of gas introduced into the mold because it is necessary to obtain the hottest and most energetic plasma possible. This mode of energy transfer can be revealed by comparing the melting of a crucible with operation or shutdown of the pumping system at the beginning. In the case of an 18 "crucible, the inventors have found that for a power of 500 kw and a total flow of 150 normal m3 per hour through the quartz powder before ignition of the arc, the surface porosity was closed in 50 seconds under the same conditions of the test but without suction through the wall of the mold, the surface porosity was closed in 120 seconds.This shows that the flow of gas through the quartz powder and of the mold is an essential parameter in the heat transfer The focus of the incoming gases to the plasma can be obtained through the use of a horizontal removable cover provided with an opening to surround the electrodes The electrodes producing the plasma pass through This opening is advantageously of the diaphragm type, which means that its opening has a geometry that can be adjusted (in particular to increase or decrease) to optimize the flow of gas to the plasma. at the thick enough silica thick (0.5 to 2.5 mm) is formed, which is seen when the pressure in the suction circuit has decreased and tends to an asymptotic value, we can reduce the power of the plasma and the The cover can be opened because the thermal transfer mode is only done by radiation, conduction and convection, this convection being mainly due to the turbulence of the gases induced by the instability of plasma. After opening or removing the lid, the plasma becomes an air plasma. The lid is therefore preferably open or remote from the forming crucible during the first suction intensity, with dense silica continuing to form. It is then possible to bring a heat shield over the melting pot to improve the yield. This screen can be pre-positioned above the pot from the beginning of the process, and lowered after removing the lid. This screen does not have the same function as the lid because it does not seal with the edge of the mold and does not focus gas in the plasma. This screen is used just to limit heat losses without exerting gas focus or sealing with the mold. The porous mold support is called the melting pot. There is a space between the melting pot and the mold to distribute the suction flow between all the openings of the porous mold.
Le dispositif selon l'invention comprend : - un moule creux muni d'ouvertures traversant sa paroi ; - un système d'aspiration du gaz présent dans le moule, relié aux dites ouvertures par le côté extérieur dudit moule, - un système d'introduction de poudre de silice dans le moule, - des électrodes générant le plasma gazeux dans le moule, - un système de contrôle du gaz (nature et débit) constituant l'atmosphère dans le moule, - un système de mise en rotation du moule creux autour de son axe vertical, - un couvercle du moule muni d'une ouverture (généralement en son centre) pouvant être agrandie ou réduite autour des électrodes selon que l'on souhaite concentrer ou non le flux gazeux entrant dans le moule dans le plasma. Le moule creux peut-être en métal, (notamment du type acier inoxydable ou alliage de Nickel comme un INCONEL) et muni d'inserts poreux, ou en métal poreux, ou bien en un matériau poreux tel que le graphite poreux. Pour le cas ou le moule comprend un métal, il est refroidi, par exemple par une circulation d'eau interne. The device according to the invention comprises: a hollow mold provided with openings passing through its wall; a gas suction system present in the mold, connected to said openings by the outside of said mold, a system for introducing silica powder into the mold, electrodes generating the plasma gas in the mold, a gas control system (nature and flow) constituting the atmosphere in the mold, - a system for rotating the hollow mold around its vertical axis, - a mold cover provided with an opening (generally at its center ) that can be enlarged or reduced around the electrodes according to whether it is desired to concentrate the gas flow entering the mold or not in the plasma. The hollow mold may be made of metal, (in particular of the stainless steel or nickel alloy type such as INCONEL) and provided with porous inserts, or of porous metal, or of a porous material such as porous graphite. For the case where the mold comprises a metal, it is cooled, for example by an internal water circulation.
Le système d'aspiration du gaz dans le moule comprend une pompe à vide. On utilise généralement une pompe assurant un débit allant de 300 à 1500 m3/heure. Un système à vide permettant l'obtention d'une pression partielle de 10 mbar suffit généralement. Après dépose de la poudre de quartz dans le moule poreux, il est souhaitable de pouvoir assurer un débit au travers de la poudre de quartz et du moule entre 100 et 600 m3 normaux par heure selon le diamètre du creuset à préparer. Ce débit gazeux obtenu après remplissage du moule mais avant le démarrage de l'arc dépend de la capacité de pompage de la pompe à vide, de la porosité du moule et de la perméabilité de la poudre de quartz. Le système d'introduction de la poudre de quartz dans le moule est généralement réalisé a l'aide d'un distributeur à poudre qui envoie la poudre de quartz soit dans un tube qui descend dans le moule soit dans un tube qui dépose la poudre de quartz sur un disque tournant situé dans le moule. Ce disque donne aux grains une vitesse radiale mais aussi tangentielle. Après avoir déposé cette poudre, on lui donne la forme adéquate par exemple à l'aide d'une lame de troussage ou de tout autre pièce de mise en forme. On peut également déposer de la poudre de quartz entre le moule et une contre forme. Après avoir retiré la contre forme, il reste dans le moule la poudre de quartz mise en forme et prête à fondre. Le dispositif selon l'invention comprend un système assurant la rotation du moule creux autour de son axe vertical. Il s'agit généralement d'un simple moteur produisant une vitesse de rotation de 50 à 200 révolutions par minutes (RPM). Cette rotation (généralement autour de 100 RPM) exerce une force centrifuge sur la silice d'abord en poudre puis fondue pour que celle-ci reste bien plaquée contre les parois du moule. Le maintien de cette poudre est également réalisé grâce au dispositif d'aspiration et a l'utilisation du moule poreux. L'air ou le gaz qui passe au travers de la poudre puis au travers du média poreux tend à plaquer la poudre contre la paroi du moule. The gas suction system in the mold comprises a vacuum pump. It is generally used a pump providing a flow ranging from 300 to 1500 m3 / hour. A vacuum system for obtaining a partial pressure of 10 mbar is generally sufficient. After depositing the quartz powder in the porous mold, it is desirable to be able to ensure a flow through the quartz powder and the mold between 100 and 600 normal m3 per hour depending on the diameter of the crucible to be prepared. This gas flow obtained after filling the mold but before starting the arc depends on the pumping capacity of the vacuum pump, the porosity of the mold and the permeability of the quartz powder. The system for introducing the quartz powder into the mold is generally produced by means of a powder dispenser which sends the quartz powder either into a tube which goes down into the mold or into a tube which deposits the powder of quartz on a rotating disk located in the mold. This disc gives grains a radial but also tangential velocity. After having deposited this powder, it is given the appropriate shape for example by means of a troussage blade or any other forming part. It is also possible to deposit quartz powder between the mold and a counter form. After removing the counterform, the quartz powder remains in the mold and is ready to melt. The device according to the invention comprises a system ensuring the rotation of the hollow mold around its vertical axis. It is usually a single engine producing a rotational speed of 50 to 200 revolutions per minute (RPM). This rotation (generally around 100 RPM) exerts a centrifugal force on the silica first powder and then melted so that it remains well pressed against the walls of the mold. The maintenance of this powder is also achieved through the suction device and the use of the porous mold. The air or the gas which passes through the powder then through the porous media tends to press the powder against the wall of the mold.
Les électrodes générant le plasma gazeux dans le moule sont généralement en graphite et généralement au nombre de trois ou plus (généralement jusqu'à 6) et alimentées en polyphasé (triphasé si trois électrodes). Les puissances délivrées dépendent de la taille du creuset à fabriquer, lequel a généralement un diamètre externe allant de 12 à 34 pouces. Pour ces tailles de creuset, les puissances vont généralement de 150 à 2000 kW, les plus faibles puissances étant utilisées pour les plus petits creusets et vice versa. The electrodes generating the gaseous plasma in the mold are generally made of graphite and generally three or more (generally up to 6) and powered in polyphase (three-phase if three electrodes). The powers delivered depend on the size of the crucible to be manufactured, which generally has an outer diameter ranging from 12 to 34 inches. For these crucible sizes, the powers generally range from 150 to 2000 kW, the lowest powers being used for smaller crucibles and vice versa.
Le système de contrôle de la nature du gaz constituant l'atmosphère dans le moule est une source du gaz que l'on a choisi comme atmosphère dans le moule. Ce gaz peut être de l'hélium, de l'hélium enrichi en oxygène (généralement 5 à 15% d'oxygène dans l'hélium), de l'hydrogène (difficile à mettre en oeuvre en raison de sa dangerosité), de l'air ou bien de l'azote, ou bien tout mélange de ces différents gaz. L'hélium pur ou l'hélium légèrement chargé en oxygène est préféré dans la phase de formation de la couche dense de silice en raison de sa vitesse de diffusion élevée réduisant le risque d'emprisonnement de gaz en bulles. On a observé que la nature de l'atmosphère (hélium, hélium avec oxygène, hydrogène, azote) ne modifiait pas sensiblement l'impédance d'un arc comparée à celle d'un arc généré dans l'air. On recherche généralement à avoir la plus faible impédance possible afin d'obtenir une puissance élevée avec des tensions entre électrodes faibles comprises entre 300 volts et 160 volts. Le couvercle du moule selon l'invention est muni d'une ouverture en son centre dont l'aire peut être agrandie ou réduite autour des électrodes selon que l'on souhaite concentrer ou non le flux gazeux entrant dans le moule pour le faire véritablement passer dans le plasma. Notamment, ce couvercle peut être en deux parties identiques, comme deux demi-couronnes, pouvant se rapprocher ou s'éloigner dans un plan horizontal pour faire varier la section de gaz entrant dans le moule. Ces deux demi-partie peuvent aussi se relever ou pivoter chacune autour d'un axe horizontal pour passer de l'horizontale à la verticale ou toute position intermédiaire. De nombreuses configurations sont possibles pour ce couvercle. En position fermée, le couvercle est horizontal et est très proche du moule afin d'éviter le passage d'air entre lui et le moule. Pour limiter encore ces fuites, on peut munir le couvercle d'une jupe cyclindrique en deux parties fixées sous chacune des deux parties du couvercle, cette jupe étant à quelques millimètres du bord du pot de fusion. On peut de plus créer un joint gazeux alimenté en un gaz correspondant à celui souhaité dans le plasma ou mettre un joint à lèvres entre le couvercle et l'extérieur du moule. L'ouverture du couvercle est plus grande ou (ce qui recouvre et/ou) la distance entre le couvercle et le creuset en formation est plus grande pendant la formation de la couche de silice poreuse que pendant la formation de la peau de silice dense. De la sorte, on force bien les gaz entrant dans le volume interne du creuset à passer par l'ouverture du couvercle en tout début de chauffe pour former rapidement la peau de silice dense, alors que pendant la formation de la silice poreuse, on laisse l'air pénétrer ce volume interne et l'on peut arrêter le cas échéant l'injection du gaz spécial (par exemple : Hélium ou Hélium enrichi en oxygène) utilisé en début de chauffe. Le couvercle (le cas échéant muni de tout système adapté limitant les fuites entre lui et le bord du moule) assure que plus de 70% et de préférence plus de 80% voire même plus de 90% en volume du gaz entrant dans le volume interne du creuset en formation passe par son ouverture lorsqu'il est en position fermée, c'est-à-dire en tout début de chauffe pendant la formation de la peau étanche de silice dense. A ce stade, le gaz entrant est forcé à entrer en passant par l'ouverture. Le couvercle est généralement en métal, comme en acier inoxydable par exemple, refroidi par de l'eau circulant à l'intérieur de lui. Sa surface faisant face à l'intérieur du moule est avantageusement recouverte de silice car il ne faut pas que le plasma ne touche le métal du couvercle. Cette protection en silice peut être constituée de plaques ou tubes de silice fixées par tout moyen approprié, notamment des tubes de silice pouvant être fermés à une extrémité et soutenus par des tubes en acier refroidis à l'eau. Lorsque le couvercle est en position fermée, l'aire de l'ouverture du couvercle (à travers laquelle passent les électrodes) représente 20 à 70% et plus généralement 25 à 50% de l'aire de l'ouverture du creuset final (aire du disque pouvant être contenu dans le creuset final tout en touchant ses parois internes, au bord supérieur dudit creuset). L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un creuset en silice à l'aide du dispositif selon l'invention comprenant la fusion de poudre de quartz par un plasma dans un moule en rotation. Ce procédé comprend plusieurs étapes. Tout d'abord, la silice est chauffée le plus vite possible, avec une forte puissance de plasma et en exerçant une forte aspiration, jusqu'à ce qu'une peau étanche en silice fondue se forme sur la face interne du creuset en formation, ce qui correspond à la fermeture de la porosité de surface sur cette face (vis-à-vis du plasma). On suit très facilement la fermeture de cette porosité en mesurant et enregistrant la pression dans le système d'aspiration. La fermeture de cette porosité entraîne une chute importante et rapide de pression dans le circuit de pompage. Cette étape initiale commence à une pression située généralement entre 150 et 600 mbars (il s'agit de la pression d'équilibre que procure la pompe fonctionnant à plein régime au travers du moule et de la silice non encore fondu dans le moule) et se poursuit jusqu'à l'obtention d'une pression réduite dont la valeur dépend de la capacité de la pompe mais qui est généralement inférieure à 100 mbars et généralement comprise entre 80 et 20 mbars. Cette étape est réalisée avec le couvercle fermé, c'est-à-dire forçant le gaz destiné au plasma à bien passer dans le plasma afin que sa puissance soit plus forte. Cette étape initiale dure de l'ordre de 20 à 150 secondes (par exemple 20 secondes pour un creuset 14" et 120 secondes pour un creusets 32"). Après cette étape de formation d'une peau étanche, on peut diminuer la puissance du plasma en modifiant la tension aux bornes des électrodes. On passe alors à la deuxième intensité de plasma. Les grains de quartz situés derrière la peau étanche sont alors fondus sous faible pression faisant épaissir la couche dense de silice, laquelle est transparente et pratiquement exempte de bulles. Lorsque l'épaisseur transparente fondue sous faible pression est suffisamment épaisse (entre 30 et 70% de l'épaisseur totale du creuset) on peut arrêter l'aspiration pour poursuivre le cycle de fusion à la pression atmosphérique ou tout du moins à une pression supérieure à 700 mbars dans le système d'aspiration. Cette étape de chauffe plus modérée et à pression plus élevée est favorable à la création d'une couche poreuse (opaque ou légèrement translucide) assez loin de la surface interne du creuset. On obtient ainsi une couche de silice comportant beaucoup de bulles située vers la surface extérieure du creuset. Le procédé selon l'invention mène à une quasi absence de bulles sur une profondeur comprise généralement entre 1 et 6 mm à compter de la surface interne du creuset. La couche de silice poreuse (opaque ou légèrement translucide) a une épaisseur allant généralement de 1 à 8 mm. Ainsi l'invention concerne également un procédé de fabrication d'un creuset en silice par fusion de poudre de quartz dans un moule poreux (porosité ouverte) relié à un système d'aspiration, ledit moule étant en rotation autour d'un axe vertical, un plasma chauffant d'un gaz étant créé à l'intérieur dudit moule par des électrodes formant un arc électrique, comprenant - la fusion de poudre de quartz en une couche de silice dense commençant par la formation d'une peau de silice dense en face interne du creuset en formation , ladite peau étant obtenue sous une première intensité de plasma et sous une première intensité d'aspiration dans le moule, puis - la fusion de poudre de quartz en une couche de silice poreuse (la porosité est fermée) en face externe du creuset sous une seconde intensité de plasma et sous une seconde intensité d'aspiration, la première intensité de plasma étant supérieure à la seconde intensité de plasma et la première intensité d'aspiration étant supérieure à la deuxième intensité d'aspiration, cette dernière pouvant être nulle, auquel cas on est à la pression atmosphérique. The system for controlling the nature of the gas constituting the atmosphere in the mold is a source of the gas that has been chosen as the atmosphere in the mold. This gas can be helium, helium enriched in oxygen (generally 5 to 15% oxygen in helium), hydrogen (difficult to implement because of its dangerousness), oxygen air or nitrogen, or any mixture of these different gases. Pure helium or helium lightly loaded with oxygen is preferred in the formation phase of the dense silica layer because of its high diffusion rate which reduces the risk of entrapment of gas bubbles. It has been observed that the nature of the atmosphere (helium, helium with oxygen, hydrogen, nitrogen) does not substantially modify the impedance of an arc compared to that of an arc generated in the air. It is generally desired to have the lowest possible impedance in order to obtain high power with low electrode voltages of between 300 volts and 160 volts. The lid of the mold according to the invention is provided with an opening in its center whose area can be enlarged or reduced around the electrodes according to whether it is desired to concentrate the gas flow entering the mold or not to make it truly pass in the plasma. In particular, this cover can be in two identical parts, such as two half-crowns, which can move toward or away in a horizontal plane to vary the gas section entering the mold. These two half-parts can also rise or rotate each around a horizontal axis to move from horizontal to vertical or any intermediate position. Many configurations are possible for this lid. In the closed position, the lid is horizontal and is very close to the mold to prevent the passage of air between him and the mold. To further limit these leaks, one can provide the lid with a cylindrical skirt in two parts fixed under each of the two parts of the lid, this skirt being a few millimeters from the edge of the melt pot. It is also possible to create a gas seal supplied with a gas corresponding to that desired in the plasma or to put a lip seal between the lid and the outside of the mold. The opening of the lid is larger or (which covers and / or) the distance between the lid and the forming crucible is greater during the formation of the porous silica layer than during the formation of the dense silica skin. In this way, the gases entering the internal volume of the crucible are forced to pass through the opening of the lid at the very beginning of the heating to rapidly form the dense silica skin, whereas during the formation of the porous silica, it is left to the air penetrate this internal volume and we can stop if necessary the injection of the special gas (for example: helium or helium enriched with oxygen) used at the beginning of heating. The lid (if equipped with any suitable system limiting leaks between it and the edge of the mold) ensures that more than 70% and preferably more than 80% or even more than 90% by volume of the gas entering the internal volume the crucible in formation passes through its opening when it is in the closed position, that is to say at the very beginning of heating during the formation of the sealed skin of dense silica. At this point, the incoming gas is forced to enter through the opening. The lid is usually made of metal, such as stainless steel for example, cooled by water circulating inside it. Its surface facing the inside of the mold is advantageously covered with silica because it is not necessary that the plasma does not touch the metal of the lid. This silica protection may consist of silica plates or tubes fixed by any appropriate means, including silica tubes that can be closed at one end and supported by water-cooled steel tubes. When the lid is in the closed position, the area of the opening of the lid (through which the electrodes pass) represents 20 to 70% and more generally 25 to 50% of the area of the opening of the final crucible (area of the disc that can be contained in the final crucible while touching its internal walls, at the upper edge of said crucible). The invention also relates to a method of manufacturing a silica crucible using the device according to the invention comprising the melting of quartz powder by a plasma in a rotating mold. This process comprises several steps. Firstly, the silica is heated as quickly as possible, with a high plasma power and exerting a strong suction, until a sealed silica-fused skin forms on the inner face of the crucible in formation, which corresponds to the closure of the surface porosity on this face (vis-à-vis the plasma). The closure of this porosity is very easily followed by measuring and recording the pressure in the suction system. Closing this porosity causes a large and rapid drop in pressure in the pumping circuit. This initial step begins at a pressure generally between 150 and 600 mbar (this is the equilibrium pressure that the pump operating at full speed through the mold and silica not yet melted in the mold) and is continues to obtain a reduced pressure whose value depends on the capacity of the pump but which is generally less than 100 mbar and generally between 80 and 20 mbar. This step is performed with the lid closed, that is to say forcing the plasma gas to pass through the plasma so that its power is stronger. This initial stage lasts on the order of 20 to 150 seconds (for example 20 seconds for a crucible 14 "and 120 seconds for a crucible 32"). After this step of forming a sealed skin, the power of the plasma can be reduced by modifying the voltage across the electrodes. We then go to the second plasma intensity. The quartz grains located behind the sealed skin are then melted under low pressure, thickening the dense layer of silica, which is transparent and practically free of bubbles. When the transparent melted thickness under low pressure is sufficiently thick (between 30 and 70% of the total thickness of the crucible) the suction can be stopped to continue the melting cycle at atmospheric pressure or at least at a higher pressure. at 700 mbar in the suction system. This more moderate and higher pressure heating step is favorable to the creation of a porous layer (opaque or slightly translucent) quite far from the inner surface of the crucible. This gives a silica layer with many bubbles located towards the outer surface of the crucible. The method according to the invention leads to a virtual absence of bubbles to a depth generally between 1 and 6 mm from the inner surface of the crucible. The porous silica layer (opaque or slightly translucent) has a thickness generally ranging from 1 to 8 mm. Thus the invention also relates to a method of manufacturing a silica crucible by melting quartz powder in a porous mold (open porosity) connected to a suction system, said mold being rotated about a vertical axis, a plasma heating a gas being created inside said mold by electrodes forming an electric arc, comprising - fusing quartz powder into a dense silica layer beginning with the formation of a dense silica skin opposite the inner core of the crucible being formed, said skin being obtained under a first plasma intensity and under a first suction intensity in the mold, and then - the melting of quartz powder into a porous silica layer (the porosity is closed) opposite external of the crucible under a second plasma intensity and under a second suction intensity, the first plasma intensity being greater than the second plasma intensity and the first intensity of the aspirating ation being greater than the second suction intensity, the latter may be zero, in which case it is at atmospheric pressure.
La couche de silice dense située à l'intérieur du creuset est transparente. Cette couche dense comprend la peau de silice formée dès le début de la chauffe. La couche de silice située à l'extérieur du creuset est opaque ou légèrement translucide dans le visible à l'oeil nu. Une fois que la peau étanche de silice a été formée, et au cours de la formation de la couche dense de silice, il est possible de baisser l'intensité du plasma, par exemple jusqu'à la deuxième intensité de plasma, tout en continuant à former la couche dense de silice. Par contre, on continue de faire le vide par l'aspiration dont l'intensité n'a pas lieu de changer. Lors de la formation de la couche dense de silice, des gaz peuvent éventuellement aller dans le système d'aspiration suite à des fuites entre le bord supérieur du creuset et le moule puisque la couche de silice fondue est parfaitement étanche aux gaz. The dense silica layer inside the crucible is transparent. This dense layer comprises the silica skin formed from the beginning of the heating. The silica layer on the outside of the crucible is opaque or slightly translucent in the visible to the naked eye. Once the sealed silica skin has been formed, and during the formation of the dense layer of silica, it is possible to lower the intensity of the plasma, for example up to the second plasma intensity, while continuing to form the dense layer of silica. On the other hand, the vacuum continues to be emptied, the intensity of which does not change. During the formation of the dense layer of silica, gases may possibly go into the suction system following leaks between the upper edge of the crucible and the mold since the fused silica layer is perfectly gas-tight.
On donne dans le tableau 1 ci-dessous les puissances aux électrodes et flux gazeux utilisées en fonction de quelques tailles de creuset (par convention il s'agit du diamètre extérieur du creuset en son bord supérieur) et selon la phase du procédé selon l'invention : lere intensité d'aspiration 2eme intensité d'aspiration Taille creuset Puissance Flux gazeux Puissance Flux gazeux (kW) (Nm3/h) (kW) (Nm3/h) 14" 250û350 80û200 200û300 20û50 18" 400û650 100û300 350û450 30û60 24" 750 û 1200 200 û 450 550 û 650 40 -80 Tableau 1 Table 1 below gives the powers to the electrodes and gaseous flow used as a function of some crucible sizes (by convention it is the external diameter of the crucible at its upper edge) and according to the phase of the process according to the invention. invention: 1st suction intensity 2nd suction intensity Crank size Power Gas flow Power Gas flow (kW) (Nm3 / h) (kW) (Nm3 / h) 14 "250û350 80û200 200û300 20û50 18" 400û650 100û300 350û450 30û60 24 " 750 - 1200 200 - 450 550 - 650 40 - 80 Table 1
Globalement, après formation de la peau étanche de surface, la puissance électrique utilisée peut être inférieure de 10 à 40% à la puissance 10 utilisée pour la formation de la peau étanche en tout début de chauffe. On travaille donc peu de temps à forte puissance, ce qui permet de limiter l'évaporation de silice. En effet, l'évaporation de silice conduit nécessairement à une condensation dans une zone plus froide, ce qui génère des particules de silice retombant dans le creuset. Ces particules sont absolument à éviter, elles 15 génèrent des défauts rédhibitoires et tout creuset pollué par ces particules est mis au rebut. Les défauts ont l'aspect de taches blanches superficielles. Avant le démarrage de la fusion, la couche de grains de quartz dans le moule a généralement une épaisseur comprise entre 13 et 26 mm. Le creuset final a généralement une épaisseur comprise entre 6 et 15 mm. 20 Le dispositif ainsi que le procédé de fusion selon l'invention est particulièrement bien adapté au contrôle de l'atmosphère de la fusion au début du cycle de fusion lors de la fermeture de la porosité de surface. En effet l'orifice pratiqué au centre du couvercle canalise les gaz qui pénètrent dans le volume interne du creuset à former. L'étanchéité réalisée entre le couvercle et 25 le haut du pot de fusion force les gaz à passer au travers de l'orifice du couvercle, autour des électrodes. Le contrôle de l'atmosphère au début du cycle de fusion devient alors aisé : il suffit de fixer sur le couvercle un injecteur5 12 de gaz annulaire (lui-même en deux parties si le couvercle est en deux parties, une sur chaque demi-couvercle). Le gaz (hélium, hydrogène, azote ou autre, ou mélange de ces gaz) est introduit dans le volume interne du creuset grâce à cet injecteur. Celui-ci peut être constitué d'un faisceau de tubes ou d'un système en deux parties superposées définissant une lèvre annulaire orientée vers l'orifice du couvercle. L'angle des tubes ou de la lèvre annulaire est généralement compris entre 30° et 80° par rapport à l'horizontal pour forcer les gaz à pénétrer dans le creuset en formation. Ces gaz parfois plus léger que l'air pénètrent dans le creuset en formation grâce à deux phénomènes : l'aspiration provoquée par le système de pompage, le débit, la vitesse des gaz et l'orientation du système d'injection. Ce système d'injection peut être facilement optimisé car il n'est généralement utilisé qu'au début de la fusion jusqu'à la fermeture de la porosité de la couche de surface. La sollicitation thermique de cet injecteur sera donc limitée dans le temps et en énergie. Il est de préférence réalisé en verre de silice ou en métal protégé par des plaques ou tubes de silice. Cet injecteur en deux parties fixées sur deux demi-couvercles est retiré de la zone très chaude lors de l'ouverture du couvercle. Ce système d'injection de gaz est utilisé selon les séquences suivantes: - purge de l'atmosphère du pot de fusion située entre le pot de fusion et le couvercle (ce qui inclut le volume interne du creuset en formation) afin que celle-ci soit très majoritairement le gaz ou le mélange choisi (plus de 70% et de préférence plus de 80% et de manière encore préférée plus de 90% en volume, le reste étant de l'air) ; cette purge est réalisée avant amorçage de l'arc ; - poursuite de l'injection de gaz lorsque l'arc est amorcé au dessus du couvercle c'est-à-dire dans l'air; le plasma formé autour des électrodes est donc constitué d'air à ce stade ; - poursuite de l'injection lors de la descente de l'arc sous le couvercle; on obtient ainsi un plasma entre les électrodes constitué du gaz (pouvant être un mélange de gaz) injecté dans le volume interne du creuset en formation. Ce gaz surchauffé par l'arc est dirigé vers la paroi grâce au système de pompage et à la direction et à la vitesse du gaz introduit; - maintient de l'injection du gaz jusqu'à la fermeture de la porosité de surface caractérisée par la chute de pression décrite précédemment; - arrêt de l'injection de gaz ; on éloigne alors les deux demi-couvercles ainsi que les deux demi- injecteurs; - très rapidement l'air pénètre dans le pot (ce qui inclut le creuset en formation) car le pot de fusion est directement ouvert à l'air et on obtient de nouveau un plasma d'air, mais dans le pot cette fois-ci; on réduit alors la puissance de l'arc; - utilisation de ce plasma d'air jusqu'à la fin du cycle de fusion. Overall, after formation of the surface-sealed skin, the electric power used can be 10 to 40% less than the power used for the formation of the tight skin at the very beginning of heating. It works so little time at high power, which limits the evaporation of silica. Indeed, the evaporation of silica necessarily leads to condensation in a cooler zone, which generates silica particles falling into the crucible. These particles are absolutely to be avoided, they generate unacceptable defects and any crucible polluted by these particles is discarded. The defects have the appearance of superficial white spots. Before starting the melting, the layer of quartz grains in the mold generally has a thickness of between 13 and 26 mm. The final crucible generally has a thickness of between 6 and 15 mm. The device as well as the melting method according to the invention is particularly well suited to controlling the atmosphere of the melting at the beginning of the melting cycle during the closure of the surface porosity. Indeed, the orifice in the center of the lid channels the gases that enter the internal volume of the crucible to be formed. The seal between the lid and the top of the melt pot forces the gases to pass through the lid opening around the electrodes. The control of the atmosphere at the beginning of the melting cycle then becomes easy: it suffices to fix on the lid an injector 5 12 of annular gas (itself in two parts if the lid is in two parts, one on each half-lid ). The gas (helium, hydrogen, nitrogen or other, or mixture of these gases) is introduced into the internal volume of the crucible through this injector. This may consist of a bundle of tubes or a system in two superimposed parts defining an annular lip oriented towards the orifice of the lid. The angle of the tubes or the annular lip is generally between 30 ° and 80 ° relative to the horizontal to force the gases to enter the forming crucible. These gases sometimes lighter than air enter the crucible in formation through two phenomena: the aspiration caused by the pumping system, the flow, the speed of the gas and the orientation of the injection system. This injection system can be easily optimized because it is generally used only at the beginning of the melting until the closure of the porosity of the surface layer. The thermal stress of this injector will be limited in time and energy. It is preferably made of silica glass or metal protected by silica plates or tubes. This two-part injector fixed on two half-lids is removed from the very hot zone when opening the lid. This gas injection system is used according to the following sequences: - Purge of the atmosphere of the melting pot located between the melt pot and the lid (which includes the internal volume of the crucible in formation) so that it most of the gas or mixture chosen (more than 70% and preferably more than 80% and more preferably more than 90% by volume, the balance being air); this purge is performed before priming the arc; - Continuation of gas injection when the arc is initiated above the lid that is to say in the air; the plasma formed around the electrodes is therefore composed of air at this stage; - continuation of the injection during the descent of the arc under the cover; a plasma is thus obtained between the electrodes constituted by the gas (which may be a mixture of gases) injected into the internal volume of the crucible in formation. This gas superheated by the arc is directed to the wall by the pumping system and the direction and speed of the gas introduced; maintains the injection of the gas until the closure of the surface porosity characterized by the pressure drop described above; - stop the injection of gas; the two half-covers and the two half-injectors are then removed; - very quickly the air enters the pot (which includes the crucible in formation) because the fusion pot is directly open to the air and we get a new air plasma, but in the pot this time ; the power of the arc is then reduced; use of this air plasma until the end of the melting cycle.
La figure 1 représente le dispositif selon l'invention. Il comprend un moule creux 1 à l'intérieur duquel est disposée de la poudre de quartz 2. Ce moule est muni de canaux 3 permettant d'exercer une aspiration, ces canaux étant reliés à une pompe 4 par l'intermédiaire d'une chambre 5. Le moule peut être mis en rotation autour de l'axe vertical AA' de façon à bien plaquer la silice contre la paroi interne du moule. Trois électrodes 6 en graphite plongent dans le moule pour générer le plasma chauffant. Le couvercle 7 selon l'invention est horizontal et comprend deux parties amovibles pouvant être resserrées ou écartées (selon les flèches) autour des électrodes afin de faire varier l'aire de l'ouverture 8 à travers laquelle passent les gaz destinées à être ionisés dans le plasma. La figure 2 représente un mode de réalisation possible du couvercle 7 selon l'invention. Ce couvercle comprend une ouverture 8 et est constitué de deux parties 7a et 7b pouvant être écartées (flèches en gras) ou resserrées autour des électrodes. Une jupe en deux parties est fixée sous les deux parties du couvercle afin d'assurer l'étanchéité entre le couvercle et le pot de fusion. Chaque demi-jupe est fixée sous une des deux parties du couvercle. La figure 3 représente l'évolution de la pression P (axe des ordonnées) en fonction du temps T (axe des abscisses) ainsi que les principales séquences du procédé selon l'invention. En A, le moule étant en rotation et chargé en poudre de quartz, on met en marche la pompe à vide au maximum et l'on procure une atmosphère d'hélium (ou autre gaz) légèrement chargée en oxygène dans le moule. Tant que la peau de silice fondue n'est pas formée, la pression ne descend pas malgré le pompage et reste aux alentours de 150-500 mbars. En B, on met sous tension les électrodes pour générer le plasma, le couvercle du four étant en position fermée. La peau étanche de silice commence à se former en C ce qui fait rapidement baisser la pression entre le moule poreux et la peau de silice fondue. En D, soit moins de 120 secondes après B (et généralement moins de 80 secondes après B), on ouvre le couvercle (ce qui a pour effet de laisser l'air ambiant pénétrer dans le volume interne du creuset en formation), on baisse la tension aux électrodes, on continue l'aspiration, ce qui permet de fondre de la silice sous pression réduite. A ce stade, on n'a en effet plus besoin d'autant d'énergie qu'au début pour la formation de la peau étanche et la réduction de la puissance du plasma réduit la vaporisation de la silice. En E, (correspondant à une quantité d'énergie cumulée comprise entre 30 et 70% de l'énergie totale), on arrête l'aspiration ou l'on réduit sa capacité et on laisse l'air pénétrer dans le système de pompage. On forme alors la partie poreuse du creuset située vers l'extérieur. Lorsque l'énergie totale de fusion est atteinte on arrête l'arc en ouvrant le contacteur de ligne. L'énergie totale (énergie électrique qui se retrouve quasiment en totalité dans le plasma) a été préalablement déterminée pour obtenir l'épaisseur requise.. Figure 1 shows the device according to the invention. It comprises a hollow mold 1 inside which is disposed quartz powder 2. This mold is provided with channels 3 for exerting suction, these channels being connected to a pump 4 via a chamber 5. The mold can be rotated about the vertical axis AA 'so as to press the silica against the inner wall of the mold. Three graphite electrodes 6 dive into the mold to generate the heating plasma. The lid 7 according to the invention is horizontal and comprises two removable parts that can be tightened or spaced (according to the arrows) around the electrodes in order to vary the area of the opening 8 through which the gases intended to be ionized in plasma. FIG. 2 represents a possible embodiment of the lid 7 according to the invention. This cover comprises an opening 8 and consists of two parts 7a and 7b can be spaced (arrows in bold) or tightened around the electrodes. A two-piece skirt is secured under both parts of the lid to provide a seal between the lid and the melt pot. Each half-skirt is fixed under one of the two parts of the lid. FIG. 3 represents the evolution of the pressure P (ordinate axis) as a function of time T (abscissa axis) as well as the main sequences of the method according to the invention. In A, the mold being rotated and loaded with quartz powder, the vacuum pump is turned on to the maximum and an atmosphere of helium (or other gas) slightly charged with oxygen is provided in the mold. As long as the fused silica skin is not formed, the pressure does not drop despite pumping and remains around 150-500 mbar. In B, the electrodes are energized to generate the plasma with the oven lid in the closed position. The sealed silica skin begins to form in C which quickly lowers the pressure between the porous mold and the fused silica skin. In D, less than 120 seconds after B (and generally less than 80 seconds after B), the lid is opened (which has the effect of allowing the ambient air to penetrate into the internal volume of the crucible in formation). the voltage at the electrodes, the suction is continued, which allows to melt silica under reduced pressure. At this stage, there is indeed no need for as much energy as at the beginning for the formation of the sealed skin and the reduction of the power of the plasma reduces the vaporization of the silica. In E, (corresponding to a cumulative energy amount of between 30 and 70% of the total energy), the suction is stopped or its capacity is reduced and the air is allowed to enter the pumping system. The porous part of the crucible located outside is then formed. When the total melting energy is reached, the arc is stopped by opening the line contactor. The total energy (electrical energy which is found almost entirely in the plasma) was previously determined to obtain the required thickness.
EXEMPLE 1 On réalise un creuset de 24" (par convention, il s'agit du diamètre externe du bord supérieur du creuset) par un dispositif tel que celui de la figure 1. La succession d'étapes correspond à la représentation de la figure 3. De A à E, la pompe (pouvant par exemple avoir une capacité maximale de 650 Nm3/h) fonctionne et le débit passant au travers de la couche de poudre de quartz est de 130 mètres cubes normaux par heure (pression de 200 millibars dans le système de pompage). En A, le moule est chargé en silice et mis en rotation et on procure une atmosphère d'hélium chargé (ou autre gaz cité précédemment) de 10% d'oxygène dans le moule. Le débit d'introduction de l'hélium/02 est supérieure à 130 mètres cubes par heure. Le couvercle du four est en position fermée et l'aire de l'ouverture aux électrodes est de 800 cm2 (soit 29 % de l'aire interne du creuset). En B, on ajuste la tension aux bornes des électrodes pour obtenir une puissance de 750 kw aux électrodes pour générer le plasma. En C on descend l'arc sous le couvercle tout en maintenant la puissance à 750 kw, une peau étanche de silice commence à se former à l'intérieur du creuset ce qui fait baisser la pression dans le moule (la pression passe de 200 mbar au début à 50 mbars en 100 secondes). En D, soit moins de 100 secondes après C, on arrête l'injection de gaz, on ouvre le couvercle, on abaisse la tension aux électrodes afin d'obtenir une puissance de 580 kw. L'air ambiant rentre donc à ce stade dans le pôt de fusion. Cette diminution de puissance a pour effet de ralentir la vitesse de progression du front de fusion et donc de permettre aux gaz de s'échapper plus facilement c'est-à-dire de fondre une silice ayant peu de bulles. On continue à fondre les grains de quartz et former la couche dense de silice avec le système de pompage en marche afin d'obtenir l'épaisseur visée de la couche de silice fondue exempte de bulles. Cinq minutes après le début du cycle, en E, on arrête le système de pompage et la pression au niveau de l'interface de fusion remonte a une pression égale ou proche de la pression atmosphérique (supérieure à 700 millibars) : à partir de cet instant on fond de la silice avec une forte porosité c'est-à-dire avec beaucoup de bulles. On laisse encore la tension aux électrodes 6 minutes_ce qui conduit a un cycle total de fusion de 11 minutes. Après refroidissement naturel, on récupère un creuset de silice de 24" quasi-exempt de toute porosité en face intérieure et sur une profondeur de 2 mm. La couche transparente (incluant les 2 mm) dense a une épaisseur totale de 5 mm et la couche poreuse contenant de nombreuses bulles à une épaisseur de 5,5 mm ce qui conduit à une épaisseur totale du creuset de 10,5 mm. Après examen avec un dispositif approprié on observe une surface intérieure quasiment exempte de bulles : on compte 0 a 1 bulles sur 5 mm2 sur une profondeur de 1 mm. EXAMPLE 1 A crucible of 24 "(by convention, it is the external diameter of the upper edge of the crucible) is produced by a device such as that of FIG. 1. The succession of steps corresponds to the representation of FIG. From A to E, the pump (which can for example have a maximum capacity of 650 Nm3 / h) operates and the flow rate passing through the layer of quartz powder is 130 normal cubic meters per hour (pressure of 200 millibars in In A, the mold is loaded with silica and rotated and a charged helium (or other gas) gas atmosphere of 10% oxygen is provided in the mold. helium / 02 is greater than 130 cubic meters per hour, the oven lid is in the closed position and the area of the electrode opening is 800 cm2 (29% of the internal crucible area). In B, the voltage across the electrodes is adjusted to obtain a power of 750 kw at electrodes to generate the plasma. In C the arc is lowered under the cover while maintaining the power at 750 kw, a sealed silica skin begins to form inside the crucible which lowers the pressure in the mold (the pressure goes from 200 mbar at first at 50 mbar in 100 seconds). In D, less than 100 seconds after C, the injection of gas is stopped, the lid is opened, the voltage is lowered to the electrodes in order to obtain a power of 580 kw. The ambient air thus returns to this stage in the melting pot. This reduction in power has the effect of slowing down the rate of progression of the melting front and thus allowing the gases to escape more easily, that is to say, to melt a silica having few bubbles. The quartz grains continue to melt and form the dense silica layer with the pumping system running to obtain the desired thickness of the bubble-free fused silica layer. Five minutes after the beginning of the cycle, at E, the pumping system is stopped and the pressure at the melting interface rises to a pressure equal to or close to atmospheric pressure (greater than 700 millibars): from this At the moment, silica is melted with a high porosity, that is to say with a lot of bubbles. The electrode voltage is still 6 minutes which leads to a total melting cycle of 11 minutes. After natural cooling, a 24 "silica crucible is recovered which is virtually free from any porosity on the inside and to a depth of 2 mm The dense layer (including the 2 mm thick layers) has a total thickness of 5 mm and the layer porous containing numerous bubbles at a thickness of 5.5 mm which leads to a total thickness of the crucible of 10.5 mm After examination with a suitable device there is an inner surface almost free of bubbles: there are 0 to 1 bubbles on 5 mm2 to a depth of 1 mm.
EXEMPLE 2 (comparatif) On procède comme pour l'exemple 1 sauf que l'on n'utilise pas de couvercle et on n'injecte aucun gaz dans le pot de fusion. Le creuset final a une épaisseur de 10 mm et la couche de 2 mm en surface intérieure du creuset présente de nombreuses bulles (30 bulles sur 5 mm2 sur une profondeur de 1 mm). EXAMPLE 2 (comparative) The procedure is as for Example 1 except that no lid is used and no gas is injected into the melt pot. The final crucible has a thickness of 10 mm and the 2 mm layer on the inner surface of the crucible has numerous bubbles (30 bubbles over 5 mm 2 over a depth of 1 mm).
EXEMPLE 3 (comparatif) On procède comme pour l'exemple 2 sauf que l'on garde la même puissance aux électrodes pendant tout le procédé à une valeur de 750kw. Le creuset final a une épaisseur totale de 10,5 mm. Le nombre de bulles par unité de surface est légèrement inférieur à l'exemple 2 (20 bulles sur 5 mm2 sur une profondeur de 1 mm) mais reste très supérieur a celui de l'exemple 1. On note de plus de nombreuses tâches blanches et défauts de surface provoquées par des retombées de condensats de vapeur de silice générée en plus grande quantité par la puissance plus élevée et donc par la température de l'arc plus haute. EXAMPLE 3 (Comparative) The procedure is as for Example 2 except that the same power is maintained at the electrodes throughout the process at a value of 750 kW. The final crucible has a total thickness of 10.5 mm. The number of bubbles per unit area is slightly less than Example 2 (20 bubbles 5 mm 2 to a depth of 1 mm) but remains much higher than that of Example 1. There are also many white spots and Surface defects caused by silica vapor condensate debris generated in greater quantities by the higher power and thus by the higher arc temperature.
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