WO2012013887A1 - Creuset de silice vitreuse a ouverture polygonale et sa methode de fabrication - Google Patents

Creuset de silice vitreuse a ouverture polygonale et sa methode de fabrication Download PDF

Info

Publication number
WO2012013887A1
WO2012013887A1 PCT/FR2011/051667 FR2011051667W WO2012013887A1 WO 2012013887 A1 WO2012013887 A1 WO 2012013887A1 FR 2011051667 W FR2011051667 W FR 2011051667W WO 2012013887 A1 WO2012013887 A1 WO 2012013887A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crucible
mold
preform
silica
opening
Prior art date
Application number
PCT/FR2011/051667
Other languages
English (en)
Inventor
Laurent Molins
Original Assignee
Saint-Gobain Quartz S.A.S
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint-Gobain Quartz S.A.S filed Critical Saint-Gobain Quartz S.A.S
Priority to EP11743110.6A priority Critical patent/EP2601147A1/fr
Priority to UAA201302452A priority patent/UA110346C2/ru
Priority to CN2011800365490A priority patent/CN103003209A/zh
Priority to JP2013521183A priority patent/JP5886850B2/ja
Priority to US13/812,064 priority patent/US20130128912A1/en
Publication of WO2012013887A1 publication Critical patent/WO2012013887A1/fr

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/02—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating
    • C03B5/025—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating by arc discharge or plasma heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00—Other methods of shaping glass
    • C03B19/09—Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00—Other methods of shaping glass
    • C03B19/09—Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould
    • C03B19/095—Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould by centrifuging, e.g. arc discharge in rotating mould
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers

Definitions

  • the invention relates to a crucible with polygonal shape and its method of preparation.
  • silica crucibles To date, a number of industrial applications, particularly in the field of semiconductors, solar energy (photovoltaics), or for the calcination of alumina powders, phosphorescent powders or precious metals, use silica crucibles. In particular, two methods of manufacturing these crucibles are distinguished: that passing through the melting of the silica and that passing through the production of a slip followed by sintering (so-called "slip cast” process).
  • the "slipcast” crucibles have the disadvantage of being slightly porous on the surface. It is possible to glaze this surface with the flame or the electric arc but residual microbubbles remain just below the icy surface ("glazed surface" in English). In addition, frosting is a relatively expensive manual operation. This technique makes it possible to obtain rather simply crucibles of square, round or rectangular shapes.
  • the dense icy surface is very thin and does not exceed 0.5 mm thick.
  • JP58088129 teaches a method of manufacturing a square crucible by arc melting. According to this method, no aspiration is performed. In the absence of suction, a high porosity is necessarily created in the walls of the crucible, so that obtaining a density of at least 2.15 to a depth of at least 1.5 mm to from inside the crucible is impossible.
  • the invention relates to an arc-shaped fused polygon-shaped opening crucible.
  • the crucible has a polygonal opening, that is to say at least 3 sides (or 4 or 5 or 6 sides), generally 4 sides, including square, rectangular, or diamond, and its manufacturing process involving a arc fusion.
  • the polygon shape particularly regular, makes it easy to juxtapose a multiplicity of crucibles so as to occupy a maximum of surface. Square and rectangular shapes are preferred. We do not would fall outside the scope of this application if the sides of the polygon are slightly rounded. Similarly, it would not be beyond the scope of this application if the corners of the polygon are slightly rounded.
  • angles of the polygon (angles between two adjacent side walls at the upper edge of the crucible) have a radius of curvature less than 25 mm at the upper edge of the final crucible for the case where the polygon is four-sided and is square or rectangular.
  • the crucible according to the invention has a characteristic aspect of using an electric arc to manufacture it.
  • the use of the electric arc leads to a high density of the silica on a deep depth when one starts from inside the crucible.
  • the theoretical density of the fused silica is 2.2 g / cm 3 and it is in practice very difficult to approach this value by a method other than fusion.
  • the use of the electric arc to melt the entire crucible makes it possible to obtain a density of at least 2.15 g / m 3 over a depth of at least 1.5 mm, or even from minus 2 mm from the inside of the crucible (side walls and crucible bottom).
  • the same electric arc method is used as to make a circular opening crucible, except that a sufficient suction intensity is used to maintain the shape given to the powder without it being necessary or even useful to rotate.
  • This suction is also at the origin of the high density to a depth of at least 1.5 mm, or even at least 2 mm from the inside of the crucible. Indeed, the suction eliminates gas that can no longer be in the form of bubbles in the crucible.
  • the suction also serves to counteract the blast of the plasma, which tends to move the powder formed into the mold, especially at the bottom.
  • a mold with a very high permeability is preferably used, which makes it possible to press the powder against the walls by suction through the mold in order to prevent the blast of the electric arc from deforming the preform of silica powder.
  • the mold can be provided with a multiplicity of orifices distributed on all the walls (side walls as well as the bottom). The rotation of the mold during the fusion is not excluded but is not essential and can in any case be of low speed.
  • the suction intensity must be sufficient for the gases flowing through the shaped powder to be at least 0.15 m / second and preferably at least 0.2 m / second. s and even at least 0.3 m / s, at least when the silica begins to melt. So we aspire according to this speed at the latest at the moment the electric arc begins to operate in the internal volume of the future crucible (powder shaped at this stage, or "preform"). It has been observed that this suction speed provides a maintenance of the powder in its crucible form without it being necessary to exert a rotation along a vertical or substantially vertical axis as is usually done in the case of circular opening.
  • the speed of the gases flowing through the powder can be measured on the surface of the preform by a hot wire anemometer ("Hot Wire Anemometer" in English) such as the TESTO 425 sold by the company TESTO.
  • a hot wire anemometer such as the TESTO 425 sold by the company TESTO.
  • This aspiration through the preform is created at the beginning of fusion of the silica since a sealed silica skin is formed quickly on the inside of the preform, which closes the preform and stops the possibility of aspiration.
  • the suction is conducted at least until the formation of the sealed silica skin on the inner face of the preform.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a crucible comprising
  • a rotation preferably moderate, which is preferably less than 200 revolutions per minute (RPM) and more preferably less than 150 RPM and even more preferably even less than 100 RPM and even lower at 50 RPM, or even zero.
  • RPM revolutions per minute
  • the rotation tends to give a parabolic shape to the contents of the mold, which is not conducive to the good maintenance of a polygonal shape, especially in the corners.
  • the preform and the final crucible are arranged so that its opening (and its bottom) is horizontal or forms an angle less than 15 ° with the horizontal.
  • the possible rotation is notably exercised during the merger. It can also be before melting and also during cooling.
  • a hollow mold polygon-shaped opening provided with a plurality of channels through its bottom and walls and distributed over its entire inner surface (inner side of the mold) of its side walls and the bottom;
  • a gas suction system present in the mold, connected to said channels by the outside of said mold,
  • the device may comprise a system for rotating the hollow mold around an axis passing through the centroid of the preform or crucible.
  • This axis can be vertical or inclined and in this case usually with an angle less than 15 ° with the vertical.
  • This axis is generally perpendicular to the bottom of the preform or the final crucible.
  • the device may include a gas control system (nature and flow) constituting the atmosphere in the mold if the gas is not air. However, generally, the atmosphere is air and no gas control system is needed.
  • a gas control system nature and flow
  • 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.
  • the mold may not be cooled or cooled for example by an internal water circulation.
  • the porous elements of the mold are intended to allow the suction to pass through the mold to act on the formed silica powder.
  • the mold is preferably flared upward (i.e., its upper edge), which means that the section of its opening (at the upper edge) is larger than the surface of its bottom.
  • the crucible obtained has an inner shape also flared upward (that is to say that the area of its opening is greater than the area of its bottom), which makes it easier to unmold material solidified contained in the crucible.
  • the mold has a flat bottom, and the resulting crucible also generally has a flat bottom.
  • the crucible made according to the invention has side walls of particularly constant thickness. The thickness variation of the side walls is less than 20%. This variation in thickness is calculated by: (E max - E min ) x10O / E min in which E max is the maximum thickness and E min is the minimum thickness.
  • the silica to be formed may contain a little water, especially 0.05 to 40% by weight of water, usually 10 to 25% by weight of water. This water helps to keep the preform in shape.
  • the gas suction system in the mold comprises a vacuum pump.
  • a vacuum system which makes it possible to obtain a partial pressure of 10 mbar in a perfectly sealed system is generally sufficient.
  • a flow rate is provided through the quartz powder and the mold sufficient for the aspirated gas to have the required speed. This gas flow is obtained after filling the mold but before starting the electric arc.
  • the suction system is generally connected to a melting pot which is a metal container inside which the mold has been placed.
  • the mold is generally attached to the melt pot in a sealed manner, so that the suction created in the melt pot is fully communicated to the channels passing through the mold.
  • the mold may be of the type "autocreuset", that is to say silica.
  • a bed of large grains of silica is formed in the melting pot, to which the desired shape for the preform is given, and the silica preform is then melted inside the bed.
  • the silica grains of the bed should be large enough to allow aspiration at the beginning of fusion to reach the desired gas velocities.
  • the space between the large grains of silica forms channels through walls and bottom of the autocreative mold.
  • the electrodes generating the gaseous plasma in the mold are generally made of graphite and generally three or more (generally up to 9) and supplied with polyphase (three-phase if three electrodes or 6 electrodes). A single-phase system is also possible.
  • the powers delivered depend on the size of the crucible to be manufactured, which has an opening area generally between 5.10 -4 and 6.5 m 2. For these crucible sizes, the powers generally range from 200 to 3000 kW.
  • the electric arc can be made from hexa-phase or nona-phase electrodes or by a 3-phase system of 3 or 6 electrodes, so the crucible according to the invention may even have an opening area greater than 0.25 m 2 and even greater than 0.5 m 2 and even greater than 0.9 m 2 .
  • the possible 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 is a plasma gas.
  • This gas may be for example helium, helium enriched in oxygen (generally 5 to 15% oxygen in helium), hydrogen (difficult to implement because of its dangerousness), air, argon or nitrogen, or any mixture of these different gases. Pure helium or helium lightly loaded with oxygen is particularly suitable especially in the formation phase of the dense layer of silica because of its high diffusion rate reducing the risk of imprisonment of gas bubbles.
  • the electric arc is introduced into the volume of the preform.
  • the silica is heated as fast as possible with a high plasma power 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 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 50 and 600 mbar (it is the equilibrium pressure that provides the pump operating at full speed through the mold and silica not yet melted in the mold) and 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 5 mbar. This initial stage lasts on the order of 20 to 150 seconds.
  • the power of the plasma can be reduced by modifying the voltage across the electrodes. We then go to a second plasma intensity of lower 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.
  • the suction can be stopped to continue the melting cycle at atmospheric pressure or at least at a pressure greater than 700 mbar in the system. aspiration.
  • 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. This high porosity on the external face confers a thermal insulation property on 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 layer of bullous silica (opaque or slightly translucent) has a thickness generally ranging from 1 to 20 mm.
  • the electrical power used can be 10 to 40% less than the power used for the formation of the sealed 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 to be avoided, they generate unacceptable defects for certain applications.
  • the layer of quartz grains in the mold (thickness of the preform) generally has a thickness of between 13 and 40 mm.
  • the final crucible generally has a thickness of between 6 and 26 mm.
  • the crucible according to the invention After producing the crucible according to the invention by the electric arc melting process, it may be coated with a layer of a metal or an oxide or hydroxide or nitride or carbide or oxynitride or oxycarbide or carbonitride or oxycarbonitride a metal on its inner and / or outer surface (here we consider that Si, Ba and Y are metals).
  • a layer of barium or of barium oxide or of barium hydroxide or of yttrium oxide or silicon nitride may be deposited on the inner and / or outer surface of the crucible.
  • WO9424505 US5976247, US5980629.
  • the crucible according to the invention has very diverse applications and in particular for:
  • the crucible according to the invention finds laboratory uses, in particular:
  • boxes transparent to electromagnetic waves for industrial radio-frequency applications such as induction
  • radio-transmissions such as radome
  • the invention also relates to the use of the crucible for calcining powder, in particular alumina or phosphorescent powder or of luminescent powder, or of rare earth or for the melting of metals, in particular precious metals, or for the fusion of silicon, in particular monocrystalline or multicrystalline silicon.
  • FIG. 1 represents the system for receiving pulverulent silica.
  • a melting pot 1 is connected by a pipe 2 to a vacuum pump (not shown).
  • the mold 3 is sealed to the melt pot by its upper edge.
  • This mold consists of substantially vertical walls 4 (a little oblique with respect to the vertical like most crucibles) and a bottom 5. These walls 4 and the bottom 5 have been drilled and the holes 1 1 made are filled by porous metal inserts (not shown) passing the suction exerted between the melting pot 1 and the mold 3.
  • a moderate rotation may optionally be exerted around the axis AA ', which passes through the barycentre of the preform or the Final crucible and is perpendicular to the opening and bottom of the preform or final crucible.
  • the walls 4 move away from one another upwards to give a flared shape to the mold and consequently to the silica crucible which will emerge from it.
  • the area of the opening (surface of the opening at the top of the walls 4) is greater than the area of the bottom 5. It will be the same for the formed silica crucible.
  • Figure 2 shows a rectangular opening mold seen from above on the side of the opening.
  • the orifices 1 1 aligned and provided with porous inserts.
  • the mold is provided with 4 side walls (12, 13, 14, 15) which are also pierced and provided with a porous insert such as the bottom 10.
  • the suction exerted in the melting pot applies to all the walls as at the bottom of the silica preform.
  • This example describes the production of a square-opening silica crucible of size 250 ⁇ 250 mm, the height of the crucible being 160 mm.
  • the silica is melted by an electric arc generated by a group of three three-phase electrodes whose respective diameter was 36 mm / 38 mm / 36 mm.
  • the electrical power delivered by the electrodes was 230 KWh.
  • Silica tubes flowing with cooling water were placed 50 mm above the mold to act as a heat shield. These tubes are not joined so that the electrodes can pass between tubes.
  • a mold was placed in the melt pot, the walls of the mold being a few centimeters away from the walls of the melt pot. A gas circulation could thus take place between the melting pot and the mold.
  • the mold was NS30 refractory stainless steel. Internally, this mold had the desired shape for the outside of the crucible.
  • the stainless steel forming its structure was pierced with a multiplicity of orifices of diameter 5 mm, the hole density being about 1 hole per cm 2 , each hole being filled by a porous metal pellet of reference SIKA R AX100 marketed by GKN Filter.
  • SIKA R AX100 marketed by GKN Filter.
  • the shaping is provided by a counter-form pressing the silica powder inside the mold, said counterform being then removed.
  • the electrodes are placed 250 mm above the mold (thus about 200 mm above the heat shield) and in the central position (in an axis passing through the point of intersection of the diagonals of the square of the opening and therefore also by the barycentre of the final crucible or the preform, this axis is perpendicular to the bottom of the crucible or the preform).
  • the plasma is ignited in this position, then the electrodes follow a path inside the crucible in formation to plunge up to 30 mm (vertically) in the mold (30 mm below the upper edge of the crucible) and for come closer up to 10 mm from the vertical walls of the crucible in formation.
  • Example 2 The procedure is as for Example 1 except that the starting pulverulent silica was moistened (12% water by weight), and the initial melting intensity was only 20 Nm 3 / h, which gives a gas velocity at the silica level of 0.1 m / s.
  • the final crucible has deformities (sometimes called blistering).
  • Example 2 The procedure is as for Example 1 except that no metal mold is placed in the melting pot, but an "autocreuset" is formed with silica beads of 5 mm granulometry in direct contact with the melt pot and over a thickness of 30 mm, then a layer of coarse sand (particle size approximately 100-300 ⁇ ).
  • the pulverulent silica is then placed in a crucible.
  • the suction speed is of the order of 1 m / s at the bottom but less than 0.03 m / s at the walls.
  • the final crucible has deformities (sometimes called blistering).
  • Example 5 The procedure is as for Example 3, except that the melting pot (and its contents of course), is rotated at 150 RPM. The rotation of the mold has tended to generate at the angles of the final crucible a radius of curvature greater than 30 mm. In addition, the final crucible has deformations (sometimes called blistering).
  • EXAMPLE 5 comparative
  • Example 2 The procedure is as for Example 1, except that the melting pot (and its contents of course), is rotated at 150 RPM about a vertical axis passing through its center of gravity. The rotation of the mold has tended to generate at the angles between adjacent side walls of the final crucible a radius of curvature greater than 30 mm.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Glass Melting And Manufacturing (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

L'invention concerne un creuset à ouverture en forme de polygone notamment carré ou rectangulaire en silice fondue à l'arc et son procédé de ' fabrication, lequel comprend la mise en forme de silice en poudre dans un moule (3) creux à ouverture en forme de polygone, ledit moule (3) étant muni d'une multiplicité de canaux traversant son fond (10) et ses parois (12, 13, 14, 15), lesdits canaux étant répartis sur toute sa surface interne, pour constituer une préforme, puis la fusion de la silice par un arc électrique à l'intérieur de la préforme, une aspiration des gaz au travers du moule et de la préforme créant une vitesse des gaz d'au moins 0,15 m/seconde en tout point de la surface intérieure de la préforme au début de la fusion.

Description

CREUSET DE SILICE VITREUSE A OUVERTURE POLYGONALE
ET SA METHODE DE FABRICATION
L'invention concerne un creuset à forme polygonale et son procédé de préparation.
A ce jour, un certain nombre d'applications industrielles, notamment dans le domaine des semi-conducteurs, de l'énergie solaire (photovoltaïque), ou pour la calcination de poudres d'alumine, de poudres phosphorescentes ou de métaux précieux, utilisent des creusets de silice. On distingue notamment deux procédés de fabrication de ces creusets : celui passant par la fusion de la silice et celui passant par la réalisation d'une barbotine suivi d'un frittage (procédé dit «slip cast»).
Les creusets « slipcast » présentent l'inconvénient d'être légèrement poreux en surface. Il est possible de glacer cette surface à la flamme ou à l'arc électrique mais des micros-bulles résiduelles restent juste en dessous de la surface glacée (« glazed surface » en anglais). De plus le glaçage est une opération manuelle relativement onéreuse. Cette technique permet d'obtenir assez simplement des creusets de formes carrée, ronde ou rectangulaire. La surface dense glacée est très fine et ne dépasse pas 0,5 mm d'épaisseur.
Concernant les creusets en silice fondue à ouverture circulaire, on distingue les deux procédés suivants:
- réalisation d'un lingot de silice creux, puis soufflage dudit lingot dans un moule ; cette technique à l'inconvénient de donner des produits présentant des imperfections de surface comme des bulles éclatés, des déformations, une porosité importante ;
- réalisation par fusion à l'arc électrique dans l'air dans un moule rotatif
(auto creuset, moule graphite, moule métallique, moule métallique refroidie). Des pièces avec un très bel aspect de surface peuvent ainsi être obtenues. Les surfaces sont dites « glacées », et sont exemptent de bulles. La fusion de poudre de quartz par un arc électrique est une méthode très largement répandue pour fabriquer des creusets en quartz présentant une excellente qualité de surface. L'homme du métier reconnaît immédiatement un creuset en silice fondue à l'arc car il présente un aspect de surface très régulier dite surface « glacée ». Pour la fusion à l'arc selon l'art antérieur pour réaliser des creusets à ouverture circulaire, la matière première est introduite dans un moule creux en rotation autour de l'axe de révolution du creuset à réaliser et la force centrifuge permet de répartir et maintenir la poudre de quartz sur les parois de ce moule. Cette rotation, habituellement supérieure à 150 RPM, est maintenue pendant tout le processus de fusion. La poudre est disposée dans un moule poreux au travers duquel une aspiration est exercée. Le chauffage par un arc électrique permet ensuite de réaliser la fusion de la silice et ainsi fabriquer le creuset.
De nombreuses industries utilisent des creusets fabriqués par arc électrique du fait de leur qualité de surface, leur réactivité de surface en utilisation étant par ailleurs bien moindre que celle des creusets slipcast ou obtenus par voie fonderie (fusion d'un lingot suivi d'un soufflage). Leur durée de vie est également supérieure et la qualité des produits fabriqués est supérieure notamment en termes de pollution par la silice provenant du creuset. Cette technique n'est aujourd'hui mise en œuvre que pour la réalisation de pièces à ouverture circulaire.
En utilisation du creuset dans le domaine de la calcination de poudres, on peut aligner plus de surface de creusets carrés que de creusets ronds sur la même surface (21 % de plus). Il en découle donc de l'utilisation de creusets ronds une perte de capacité, d'énergie et de productivité.
Le JP58088129 enseigne un procédé de fabrication d'un creuset carré par fusion à l'arc. Selon ce procédé, aucune aspiration n'est réalisée. En l'absence d'aspiration, une forte porosité est nécessairement créée dans les parois du creuset, de sorte que l'obtention d'une masse volumique d'au moins 2,15 sur une profondeur d'au moins 1 ,5 mm à partir de l'intérieur du creuset est impossible.
L'invention concerne un creuset à ouverture en forme de polygone en silice fondue à l'arc. Le creuset est à ouverture polygonale, c'est-à-dire à au moins 3 cotés (ou 4 ou 5 ou 6 côtés), généralement 4 côtés, notamment carrée, rectangulaire, ou en losange, et son procédé de fabrication faisant intervenir une fusion à l'arc électrique. La forme de polygone, notamment régulier, permet de juxtaposer facilement une multiplicité de creusets de façon à occuper un maximum de surface. Les formes carré et rectangulaire sont préférées. On ne sortirait pas de la portée de la présente demande si les côtés du polygone sont légèrement arrondis. De même, On ne sortirait pas de la portée de la présente demande si les angles du polygone sont légèrement arrondis. Généralement, les angles du polygone (angles entre deux parois latérales adjacentes au niveau du bord supérieur du creuset) présentent un rayon de courbure inférieur à 25 mm au niveau du bord supérieur du creuset final pour le cas ou le polygone est à quatre côtés et est carré ou rectangulaire.
Le creuset selon l'invention présente un aspect caractéristique de l'utilisation d'un arc électrique pour le fabriquer. De plus, l'utilisation de l'arc électrique mène à une forte masse volumique de la silice sur une forte profondeur quand on part de l'intérieur du creuset. La masse volumique théorique de la silice fondue est 2,2 g/cm3 et il est en pratique très difficile de s'approcher de cette valeur par une méthode autre que la fusion. L'utilisation de l'arc électrique pour fondre l'intégralité du creuset permet d'obtenir une masse volumique d'au moins 2,15 g/m3 sur une profondeur d'au moins 1 ,5 mm, voire même d'au moins 2 mm à partir de l'intérieur du creuset (parois latéral et fond du creuset).
Selon l'invention, on utilise le même procédé à l'arc électrique que pour faire un creuset à ouverture circulaire, sauf que l'on utilise une intensité d'aspiration suffisante pour maintenir la forme donnée à la poudre sans qu'il ne soit nécessaire ni même utile d'exercer une rotation. Cette aspiration est aussi à l'origine de la forte masse volumique sur une profondeur d'au moins 1 ,5 mm, voire même d'au moins 2 mm à partir de l'intérieur du creuset. En effet, l'aspiration élimine du gaz qui ne peut plus se retrouver sous forme de bulles dans le creuset. De plus l'aspiration sert aussi à contrecarrer le souffle du plasma qui a tendance à déplacer la poudre mise en forme dans le moule, notamment au fond. On utilise de préférence un moule à très forte perméabilité ce qui permet de plaquer la poudre contre les parois par aspiration au travers du moule afin d'éviter que le souffle de l'arc électrique ne déforme la préforme de poudre de silice. Pour pouvoir exercer cette aspiration, le moule peut être muni d'une multiplicité d'orifices répartis sur toutes les parois (parois latérales ainsi que le fond). La rotation du moule pendant la fusion n'est pas exclue mais n'est pas indispensable et peut en tout cas être de faible vitesse.
Selon l'invention, l'intensité d'aspiration doit être suffisante pour que les gaz circulant au travers de la poudre mise en forme soit d'au moins 0,15 m/seconde et de préférence d'au moins 0,2 m/s et même d'au moins 0,3 m/s, au moins au moment ou la silice commence à fondre. On aspire donc selon cette vitesse au plus tard au moment l'arc électrique commence à fonctionner dans le volume interne du futur creuset (poudre mise en forme à ce stade, ou « préforme »). On a observé que cette vitesse d'aspiration procurait un maintien de la poudre dans sa forme de creuset sans qu'il ne soit nécessaire d'exercer une rotation selon un axe vertical ou sensiblement vertical comme on le fait habituellement dans le cas des creusets à ouverture circulaire. La vitesse des gaz circulant au travers de la poudre peut être mesurée à la surface de la préforme par un anémomètre à fil chaud (« Hot Wire Anemometer » en anglais) comme par exemple le TESTO 425 commercialisé par la société TESTO. Cette aspiration au travers de la préforme est créée en début de fusion de la silice puisque qu'une peau de silice étanche se forme rapidement en face intérieure de la préforme, ce qui bouche la préforme et arrête la possibilité d'aspiration. L'aspiration est conduite au moins jusqu'à la formation de la peau de silice étanche en face intérieure de la préforme. Ainsi l'invention concerne également un procédé de fabrication d'un creuset comprenant
- la mise en forme de silice en poudre dans un moule creux à ouverture en forme de polygone, ledit moule étant muni d'une multiplicité de canaux traversant son fond et ses parois, lesdits canaux étant répartis sur toute sa surface interne, pour constituer une préforme, puis
- la fusion de la silice par un arc électrique à l'intérieur de la préforme, une aspiration des gaz au travers des canaux du moule et de la préforme créant une vitesse des gaz d'au moins 0,15 m/seconde et de préférence d'au moins 0,2 m/s voire même d'au moins 0,3 m/seconde en tout point de la surface intérieure de la préforme au début de la fusion. On n'exclut pas d'exercer une rotation, de préférence modérée, laquelle est de préférence inférieure à 200 révolutions par minutes (RPM) et de manière encore préférée inférieure à 150 RPM et de manière encore préférée même inférieure à 100 RPM et même inférieure à 50 RPM, voire même nulle. La rotation tend à conférer une forme parabolique au contenu du moule, ce qui n'est pas favorable au bon maintien d'une forme polygonale, surtout dans les angles. En effet, on a observé que l'angle formé entre les parois latérales adjacentes s'éloignent de plus en plus de l'angle droit (cas d'un polygone carré ou rectangulaire) plus on tourne vite. L'éventuelle rotation est exercée autour d'un axe passant par le barycentre de la préforme ou du creuset final. Cet axe peut être vertical ou incliné et dans ce cas généralement avec un angle inférieur à 15° avec la verticale. Cet axe est généralement perpendiculaire au fond de la préforme et du creuset final et donc perpendiculaire à l'ouverture de la préforme et du creuset final. Si aucune rotation n'est exercée, lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention, la préforme et le creuset final sont disposés de sorte que son ouverture (et son fond) soit horizontale ou forme un angle inférieur à 15° avec l'horizontale. L'éventuelle rotation est notamment exercée pendant la fusion. Elle peut également l'être avant la fusion et également pendant le refroidissement.
Pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, on peut utiliser un dispositif comprenant :
- un moule creux à ouverture en forme de polygone, muni d'une multiplicité de canaux traversant son fond et ses parois et répartis sur toute sa surface interne (côté intérieur du moule) de ses parois latérales ainsi que du fond;
- un système d'aspiration du gaz présent dans le moule, relié auxdits canaux par le côté extérieur dudit moule,
- un système d'introduction de poudre de silice dans le moule,
- un système de mise en forme de la poudre de silice dans le moule, - des électrodes générant un plasma gazeux dans le moule,
Le cas échéant, le dispositif peut comprendre un système de mise en rotation du moule creux autour d'un axe passant par le barycentre de la préforme ou du creuset. Cet axe peut être vertical ou incliné et dans ce cas généralement avec un angle inférieur à 15° avec la verticale. Cet axe est généralement perpendiculaire au fond de la préforme ou du creuset final.
Le dispositif peut comprendre un système de contrôle du gaz (nature et débit) constituant l'atmosphère dans le moule si ce gaz n'est pas l'air. Cependant, généralement, l'atmosphère est l'air et aucun système de contrôle du gaz n'est alors nécessaire.
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 peut ne pas être refroidi ou être refroidi par exemple par une circulation d'eau interne. Les éléments poreux du moule sont destinés à permettre à l'aspiration de traverser le moule pour agir sur la poudre de silice mise en forme.
Le moule est de préférence évasé vers le haut (c'est-à-dire son bord supérieur), ce qui signifie que la section de son ouverture (au bord supérieur) est plus grande que la surface de son fond. Cette caractérisque offre deux avantages :
a) le creuset obtenu se démoule plus facilement ;
b) le creuset obtenu présente une forme intérieure également évasée vers le haut (c'est-à-dire que l'aire de son ouverture est plus grande que l'aire de son fond), ce qui permet de démouler plus facilement une matière solidifié contenue dans le creuset.
Généralement, le moule a un fond plat, et le creuset qui en résulte a également généralement un fond plat. Le creuset réalisé selon l'invention présente des parois latérales à l'épaisseur particulièrement constante. La variation d'épaisseur des parois latérales est inférieure à 20%. Cette variation d'épaisseur se calcule par : (Emax - Emin)x10O/Emin dans laquelle Emax est l'épaisseur maximal et Emin est l'épaisseur minimale.
Après avoir déposé la poudre de silice dans le moule, on lui donne la forme adéquate par exemple à l'aide d'une lame de troussage ou de toute 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. La poudre de silice à mettre en forme peut contenir un peu d'eau, en particulier de 0,05 à 40% en poids d'eau, généralement 10 à 25% en poids d'eau. Cette eau contribue à maintenir la préforme dans sa forme.
Le système d'aspiration du gaz dans le moule comprend une pompe à vide. Un système à vide permettant l'obtention d'une pression partielle de 10 mbar dans un système parfaitement étanche suffit généralement. Après dépose de la poudre de quartz dans le moule poreux, on assure un débit au travers de la poudre de quartz et du moule suffisant pour que le gaz aspiré ait la vitesse requise. Ce débit gazeux est obtenu après remplissage du moule mais avant le démarrage de l'arc électrique. Le système d'aspiration est généralement relié à un pot de fusion qui est un contenant métallique à l'intérieur duquel on a placé le moule. Le moule est généralement fixé au pot de fusion de façon étanche, de sorte que l'aspiration créée dans le pot de fusion soit intégralement communiquée aux canaux traversant le moule.
Le moule peut-être du type « autocreuset », c'est à-dire en silice. Dans ce cas, on forme dans le pot de fusion un lit de gros grains de silice auquel on donne la forme souhaitée pour la préforme, puis on place la préforme de silice à fondre à l'intérieur de ce lit. Ici, les grains de silice du lit doivent être assez gros pour bien permettre à l'aspiration en début de fusion d'atteindre les vitesses de gaz souhaitées. L'espace entre les gros grains de silice forme des canaux traversant parois et fond du moule autocreuset.
Les électrodes générant le plasma gazeux dans le moule sont généralement en graphite et généralement au nombre de trois ou plus (généralement jusqu'à 9) et alimentées en polyphasé (triphasé si trois électrodes ou 6 électrodes). Un système monophasé est également envisageable. Les puissances délivrées dépendent de la taille du creuset à fabriquer, lequel a une aire d'ouverture généralement comprise entre 5.10"4 et 6,5 m2. Pour ces tailles de creuset, les puissances vont généralement de 200 à 3000 kW, les plus faibles puissances étant utilisées pour les plus petits creusets et vice versa. Dans le cas de creusets de grandes dimensions, l'arc électrique peut être réalisé à partir d'électrodes en hexa-phase ou nona-phase ou par un système triphasé de 3 ou 6 électrodes. Ainsi, le creuset selon l'invention peut même avoir une aire d'ouverture supérieure à 0,25 m2 et même supérieure à 0,5 m2 et même supérieure à 0,9 m2.
L'éventuel 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 est un gaz plasmagène. Ce gaz peut être par exemple 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 œuvre en raison de sa dangerosité), de l'air, de l'argon ou bien de l'azote, ou bien tout mélange de ces différents gaz. L'hélium pur ou l'hélium légèrement chargé en oxygène est particulièrement adapté notamment 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.
Après avoir commencé l'aspiration au travers du moule et de la préforme de silice, on introduit l'arc électrique dans le volume de la préforme. La silice est chauffée le plus vite possible avec une forte puissance de plasma 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 aisément 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 50 et 600 mbar (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 mbar et généralement comprise entre 80 et 5 mbar. Cette étape initiale dure de l'ordre de 20 à 150 secondes. 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 une deuxième intensité de plasma de plus faible intensité. 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 mbar 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. Cette porosité élevée en face externe confère une propriété d'isolation thermique au 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 bulleuse (opaque ou légèrement translucide) a une épaisseur allant généralement de 1 à 20 mm.
Globalement, après formation de la peau étanche de surface, la puissance électrique utilisée peut être inférieure de 10 à 40% à la puissance 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 à éviter, elles génèrent des défauts rédhibitoires pour certaines applications. Avant le démarrage de la fusion, la couche de grains de quartz dans le moule (épaisseur de la préforme) a généralement une épaisseur comprise entre 13 et 40 mm. Le creuset final a généralement une épaisseur comprise entre 6 et 26 mm.
Après réalisation du creuset selon l'invention par le procédé de fusion à l'arc électrique, on peut le revêtir d'une couche d'un métal ou d'un oxyde ou hydroxyde ou nitrure ou carbure ou oxynitrure ou oxycarbure ou carbonitrure ou oxycarbonitrure d'un métal sur sa surface intérieure et/ou extérieure (on considère ici que Si, Ba et Y sont des métaux). On peut notamment déposer une couche de Baryum ou d'oxyde de Baryum ou d'hydroxyde de Baryum ou d'oxyde d'Yttrium ou de nitrure de silicium sur la surface intérieure et/ou extérieure du creuset. Pour le dépôt et l'avantage procuré par de telles couches, on peut notamment se rapporter aux WO9424505, US5976247, US5980629.
Le creuset selon l'invention trouve des applications très diverses et notamment pour:
- calciner des poudres (phosphorescentes, fluorescentes, alumines, etc....);
- le raffinage de métaux précieux (or, argent, platine, etc....);
- la fabrication de gemmes synthétiques;
- la fonte et le raffinage d'alliages spéciaux (sous forme de poudres, billes, granulés, etc.);
- la métallisation de pièces par évaporation;
- la fonte et/ou cristallisation de lingots métalliques par des procédés de solidification directe ou fusion de zone ou autres (silicium ou autres métaux, semi-conducteurs ou non).
Le creuset selon l'invention trouve des usages de laboratoire, notamment:
- pour la fonte de verres ;
- pour la calcination ou chauffe d'acides ou de produits chimiques mélangés à des acides (HF, HCI, etc..) ;
- comme bac d'attaque ou de lavage (cleaning, etching) de wafers dans l'industrie du semi-conducteur ;
- pour le traitement thermique de pièces (notamment le déliantage) ;
- pour la fusion de superalliages (pour aubes de turbines par exemple) dans le cadre de leur moulage à chaud (fusion/solidification) ;
- pour la fusion du silicium pour applications solaires lequel est solidifié dans le creuset ; on peut, selon le procédé de cristallisation, obtenir des lingots de silicium monocristallin ou multicristallin ;
- pour la réalisation de préformes, caissons transparents aux ondes électromagnétiques pour applications de radio-fréquences industrielles (tel l'induction) ou radio-transmissions (tel radome);
- comme réacteurs pour le traitement des wafers (épitaxie, dépôt divers).
Ainsi, l'invention concerne également l'utilisation du creuset pour la calcination de poudre, notamment d'alumine ou de poudre phosphorescente ou de poudre luminescente, ou de terre rare ou pour la fusion de métal, notamment précieux, ou pour la fusion de silicium, notamment monocristallin ou multicristallin.
La figure 1 représente le système de réception de la silice pulvérulente. Un pot de fusion 1 est relié par une canalisation 2 à une pompe à vide (non représentée). Le moule 3 est fixé de manière étanche au pot de fusion par son bord supérieur. Ce moule est constitué de parois sensiblement verticales 4 (un peu obliques par rapport à la verticale comme la plupart des creusets) et d'un fond 5. Ces parois 4 et le fond 5 ont été percées et les orifices 1 1 réalisés sont remplis par des inserts métalliques poreux (non représentés) laissant passer l'aspiration exercée entre le pot de fusion 1 et le moule 3. Une rotation modérée peut éventuellement être exercée autour de l'axe AA', lequel passe par le barycentre de la préforme ou du creuset final et est perpendiculaire à l'ouverture et le fond de la préforme ou du creuset final. On voit que les parois 4 s'éloignent entre elles lorqu'on va vers le haut pour donner une forme évasée au moule et en conséquence au creuset de silice qui en ressortira. De la sorte, l'aire de l'ouverture (surface de l'ouverture en haut des parois 4) est plus grande que l'aire du fond 5. il en sera de même pour le creuset de silice formé.
La figure 2 représente un moule à ouverture rectangulaire vu de dessus du côté de l'ouverture. On distingue sur la paroi du fond 10 les orifices 1 1 alignés et munis d'inserts poreux. Le moule est muni de 4 parois latérales (12, 13, 14, 15) lesquelles sont également percées et munies d'insert poreux comme le fond 10. Ainsi, l'aspiration exercée dans le pot de fusion s'applique à toutes les parois comme au fond de la préforme de silice.
EXEMPLE 1
Cet exemple décrit la réalisation d'un creuset de silice à ouverture carré de dimension 250X250 mm, la hauteur du creuset étant 160 mm. La fusion de la silice est réalisée par un arc électrique généré par un groupe de trois électrodes alimentées en triphasé dont le diamètre respectif était 36 mm / 38 mm / 36 mm. La puissance électrique délivrée par les électrodes était de 230 KWh. Des tubes de silice parcourus par de l'eau de refroidissement étaient placées 50 mm au-dessus du moule pour faire office d'écran thermique. Ces tubes ne sont pas jointifs de sorte que les électrodes peuvent passer entre des tubes. Un moule a été placé dans le pot de fusion, les parois du moule étant éloignées de quelques centimètres des parois du pot de fusion. Une circulation gazeuse pouvait ainsi prendre place entre le pot de fusion et le moule. Le moule était en acier inoxydable réfractaire NS30. Intérieurement, ce moule avait la forme désirée pour l'extérieure du creuset. L'acier inoxydable formant sa structure était percé d'une multiplicité d'orifices de diamètre 5 mm, la densité de trou étant d'environ 1 trou par cm2, chaque trou étant comblé par une pastille en métal poreux de référence SIKA R AX100 commercialisé par la société GKN Filter. On place dans ce moule une épaisseur de 27 mm de silice pulvérulente sèche de marque Cristal IOTA standard commercialisé par la société Unimin. La mise en forme est assurée par une contre-forme venant presser la poudre de silice à l'intérieur du moule, ladite contre-forme étant ensuite enlevée.
Au début du procédé, les électrodes sont placées 250 mm au-dessus du moule (donc environ 200 mm au-dessus de l'écran thermique) et en position centrale (dans un axe passant par le point d'intersection des diagonales du carré de l'ouverture et donc également par le barycentre du creuset final ou de la préforme; cet axe est perpendiculaire avec le fond du creuset ou de la préforme). Le plasma est allumé dans cette position, puis les électrodes suivent un trajet à l'intérieur du creuset en formation pour venir plonger jusqu'à 30 mm (en vertical) dans le moule (30 mm en dessous du bord supérieur du creuset) et pour venir se rapprocher jusqu'à 10 mm des parois verticales du creuset en formation. Avant l'allumage du plasma, on exerce une aspiration gazeuse au travers du moule et donc de la silice mise en forme avec une intensité de 200 Nm3/h (m3 normaux par heure). La vitesse des gaz au travers de la silice était de 1 ,5 m/s. Aucune rotation n'est exercée sur le moule (et donc sur le creuset en formation) au cours de la fabrication. On obtient finalement un creuset de silice fondu de belle facture, homogène en épaisseur et dépourvu de défaut apparent (pas de boursouflures ni autres irrégularités apparentes). L'épaisseur de sa paroi était de 6 mm. L'intérieur des angles entre parois latérales présentait un rayon de courbure inférieur à 25 mm au niveau du bord supérieur du creuset. EXEMPLE 2 (comparatif)
On procède comme pour l'exemple 1 sauf que la silice pulvérulente de départ était humidifiée (12 % d'eau en poids), et l'intensité d'aspiration en début de fusion était de seulement 20 Nm3/h, ce qui procure une vitesse gazeuse au niveau de la silice de 0,1 m/s. Le creuset final présente des déformations (parfois appelées boursoufflures).
EXEMPLE 3 (comparatif)
On procède comme pour l'exemple 1 sauf que l'on ne place pas de moule métallique dans le pot de fusion, mais on constitue un « autocreuset » avec des billes de silice de granulométrie 5 mm en contact direct avec le pot de fusion et sur une épaisseur de 30 mm, puis une couche de sable grossier (granulométrie environ 100-300 μιτι). On place ensuite la silice pulvérulente à transformer en creuset. La vitesse d'aspiration est de l'ordre de 1 m/s au fond mais inférieure à 0,03 m/s aux parois. Le creuset final présente des déformations (parfois appelées boursoufflures).
EXEMPLE 4 (comparatif)
On procède comme pour l'exemple 3, sauf que le pot de fusion (et son contenu bien sûr), est mis en rotation à 150 RPM. La rotation du moule a eu tendance à engendrer au niveau des angles du creuset final un rayon de courbure supérieure à 30 mm. De plus, le creuset final présente des déformations (parfois appelées boursoufflures). EXEMPLE 5 (comparatif)
On procède comme pour l'exemple 1 , sauf que le pot de fusion (et son contenu bien sûr), est mis en rotation à 150 RPM autour d'un axe vertical passant par son barycentre. La rotation du moule a eu tendance à engendrer au niveau des angles entre parois latérales adjacentes du creuset final un rayon de courbure supérieure à 30 mm.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Creuset à ouverture en forme de polygone en silice fondue à l'arc, caractérisé en ce qu'il a une masse volumique d'au moins 2,15 sur une profondeur d'au moins 1 ,5 mm à partir de l'intérieur du creuset.
2. Creuset selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le polygone a quatre côtés.
3. Creuset selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que l'aire de son ouverture est supérieure à 0,25 m2.
4. Creuset selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'aire de son ouverture est supérieure à 0,5 m2, notamment supérieure à 0,9 m2.
5. Creuset selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce que l'aire de son ouverture est plus grande que l'aire de son fond.
6. Creuset selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce qu'il est revêtu d'une couche d'un métal ou d'un oxyde ou hydroxyde ou nitrure ou carbure ou oxynitrure ou oxycarbure ou carbonitrure ou oxycarbonitrure d'un métal sur sa surface intérieure et/ou extérieure.
7. Creuset selon la revendication précédentes caractérisé en ce que la couche est en Baryum ou oxyde de Baryum ou hydroxyde de
Baryum ou oxyde d'Yttrium ou nitrure de Silicium.
8. Procédé de fabrication d'un creuset à ouverture en forme de polygone en silice fondue à l'arc comprenant
- la mise en forme de silice en poudre dans un moule creux à ouverture en forme de polygone, ledit moule étant muni d'une multiplicité de canaux traversant son fond et ses parois, lesdits canaux étant répartis sur toute sa surface interne, pour constituer une préforme, puis
- la fusion de la silice par un arc électrique à l'intérieur de la préforme, une aspiration des gaz au travers des canaux du moule et de la préforme créant une vitesse des gaz d'au moins 0,15 m/seconde en tout point de la surface intérieure de la préforme au début de la fusion.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la préforme n'est pas en rotation pendant la fusion ou est en rotation pendant la fusion selon un axe perpendiculaire à son ouverture et passant par son barycentre à une vitesse inférieure à 150 RPM
10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la préforme n'est pas en rotation pendant la fusion ou est en rotation pendant la fusion selon un axe perpendiculaire à son ouverture et passant par son barycentre à une vitesse inférieure à 100 RPM.
1 1 . Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la préforme n'est pas en rotation pendant la fusion ou est en rotation pendant la fusion selon un axe perpendiculaire à son ouverture et passant par son barycentre à une vitesse inférieure à 50 RPM.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que la vitesse des gaz créée en tout point de la surface intérieure de la préforme au début de la fusion est d'au moins 0,2 m/seconde.
13. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'aire de l'ouverture du moule est supérieure à l'aire du fond du moule.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé caractérisé en ce que la poudre de silice est mise en forme avec 0,05 à 40 % en poids d'eau.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé caractérisé en ce que l'on réalise le plasma à l'aide de six électrodes alimentées en triphasé.
16. Utilisation du creuset de l'une des revendications précédentes de creuset pour la calcination de poudre, notamment d'alumine ou de poudre phosphorescente ou de poudre luminescente, ou de terre rare ou pour la fusion de métal, notamment précieux, ou pour la fusion de silicium, notamment monocristallin ou multicristallin.
PCT/FR2011/051667 2010-07-27 2011-07-12 Creuset de silice vitreuse a ouverture polygonale et sa methode de fabrication WO2012013887A1 (fr)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11743110.6A EP2601147A1 (fr) 2010-07-27 2011-07-12 Creuset de silice vitreuse a ouverture polygonale et sa methode de fabrication
UAA201302452A UA110346C2 (ru) 2010-07-27 2011-07-12 Тигель из стекловидного кремнезема с многоугольным отверстием и способ его изготовления
CN2011800365490A CN103003209A (zh) 2010-07-27 2011-07-12 具有多边形开口的玻璃状石英坩埚和其制备方法
JP2013521183A JP5886850B2 (ja) 2010-07-27 2011-07-12 多角形開口部を有する石英ガラスるつぼ及びその製造方法
US13/812,064 US20130128912A1 (en) 2010-07-27 2011-07-12 Crucible having a polygonal opening

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1056161 2010-07-27
FR1056161A FR2963341B1 (fr) 2010-07-27 2010-07-27 Creuset a ouverture polygonale

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012013887A1 true WO2012013887A1 (fr) 2012-02-02

Family

ID=43617946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2011/051667 WO2012013887A1 (fr) 2010-07-27 2011-07-12 Creuset de silice vitreuse a ouverture polygonale et sa methode de fabrication

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20130128912A1 (fr)
EP (1) EP2601147A1 (fr)
JP (1) JP5886850B2 (fr)
CN (1) CN103003209A (fr)
FR (1) FR2963341B1 (fr)
UA (1) UA110346C2 (fr)
WO (1) WO2012013887A1 (fr)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4922355B2 (ja) * 2009-07-15 2012-04-25 信越石英株式会社 シリカ容器及びその製造方法
US20150183026A1 (en) * 2013-12-27 2015-07-02 United Technologies Corporation Investment mold having metallic donor element
PE20180975A1 (es) * 2015-11-25 2018-06-14 Saint Gobain Metodo de doblado por gravedad asistido por sobrepresion y dispositivo adecuado para el mismo
CN112779600B (zh) * 2019-11-08 2022-04-19 徐晓军 一种石英坩埚及其制备方法
CN114671599B (zh) * 2022-03-29 2022-11-22 锦州佑鑫石英科技有限公司 大外径直拉单晶用石英坩埚的制备方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2480272A1 (fr) * 1980-04-15 1981-10-16 Heraeus Schott Quarzschmelze Procede pour fabriquer des creusets en verre de silice et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede
JPS5888129A (ja) 1981-11-19 1983-05-26 Toshiba Ceramics Co Ltd 石英ガラス容器類の製造方法
US4963178A (en) * 1986-03-31 1990-10-16 Gte Products Corporation Apparatus for making quartz glass crucibles
US5322539A (en) * 1992-06-26 1994-06-21 Desert Glassworks, Inc. Quartz tank member and method of production thereof
WO1994024505A1 (fr) 1993-04-19 1994-10-27 Quartz Et Silice Creuset
US5976247A (en) 1995-06-14 1999-11-02 Memc Electronic Materials, Inc. Surface-treated crucibles for improved zero dislocation performance
US5980629A (en) 1995-06-14 1999-11-09 Memc Electronic Materials, Inc. Methods for improving zero dislocation yield of single crystals
EP1344751A2 (fr) * 2002-03-14 2003-09-17 Japan Super Quartz Corporation Creuset en verre de silice ainsi qu'un procédé et appareil pour sa fabricaition par fusion à l'arc
EP1762549A1 (fr) * 2005-09-08 2007-03-14 Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG Creuset de silice vitreuse avec une paroi intérieure sans bulles et une paroi présentant une croissance des bulles réduite
EP2251460A1 (fr) * 2008-02-29 2010-11-17 Japan Super Quartz Corporation Creuset en quartz pour tirage d'un monocristal de silicium et procédé de fabrication du creuset en quartz
WO2011067275A1 (fr) * 2009-12-04 2011-06-09 Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg Procédé de fabrication d'un creuset en verre de quartz

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS612679Y2 (fr) * 1978-10-27 1986-01-28
US4747774A (en) * 1987-02-09 1988-05-31 Westinghouse Electric Corp. Conforming crucible/susceptor system for silicon crystal growth
JPH107493A (ja) * 1996-06-20 1998-01-13 Sharp Corp シリコン半導体基板および太陽電池用基板の製造方法
JP3331538B2 (ja) * 1996-12-17 2002-10-07 新日本製鐵株式会社 リング状接合材用急冷凝固箔並びにその製造方法、製造装置及び製造用ノズル
JP3520957B2 (ja) * 1997-06-23 2004-04-19 シャープ株式会社 多結晶半導体インゴットの製造方法および装置
DE10044163A1 (de) * 2000-09-07 2002-04-04 Wacker Chemie Gmbh Elektrophoretisch nachverdichtete SiO2-Formkörper, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung
FR2858611B1 (fr) * 2003-08-07 2006-11-24 Saint Gobain Ct Recherches Procede de fabrication d'une piece en silice amorphe frittee, moule et barbotine mis en oeuvre dans ce procede
EP1700829A1 (fr) * 2005-03-09 2006-09-13 Degussa AG Procédé de fabrication d'un monolithe en verre par un procédé sol-gel
DE102006060561C5 (de) * 2006-12-21 2015-09-10 Schott Ag Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasformkörpers
JP2011528308A (ja) * 2007-07-20 2011-11-17 ビーピー・コーポレーション・ノース・アメリカ・インコーポレーテッド シード結晶からキャストシリコンを製造するための方法及び装置
CN101348324A (zh) * 2008-08-27 2009-01-21 常熟华融太阳能新型材料有限公司 用于多晶硅结晶的不透明石英坩埚及其制造方法
JP5377930B2 (ja) * 2008-10-31 2013-12-25 株式会社Ｓｕｍｃｏ シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法
JP5058138B2 (ja) * 2008-12-09 2012-10-24 ジャパンスーパークォーツ株式会社 シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ
JP5118007B2 (ja) * 2008-12-11 2013-01-16 信越石英株式会社 シリカ容器及びその製造方法
US8272234B2 (en) * 2008-12-19 2012-09-25 Heraeus Shin-Etsu America, Inc. Silica crucible with pure and bubble free inner crucible layer and method of making the same

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2480272A1 (fr) * 1980-04-15 1981-10-16 Heraeus Schott Quarzschmelze Procede pour fabriquer des creusets en verre de silice et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede
JPS5888129A (ja) 1981-11-19 1983-05-26 Toshiba Ceramics Co Ltd 石英ガラス容器類の製造方法
US4963178A (en) * 1986-03-31 1990-10-16 Gte Products Corporation Apparatus for making quartz glass crucibles
US5322539A (en) * 1992-06-26 1994-06-21 Desert Glassworks, Inc. Quartz tank member and method of production thereof
WO1994024505A1 (fr) 1993-04-19 1994-10-27 Quartz Et Silice Creuset
US5976247A (en) 1995-06-14 1999-11-02 Memc Electronic Materials, Inc. Surface-treated crucibles for improved zero dislocation performance
US5980629A (en) 1995-06-14 1999-11-09 Memc Electronic Materials, Inc. Methods for improving zero dislocation yield of single crystals
EP1344751A2 (fr) * 2002-03-14 2003-09-17 Japan Super Quartz Corporation Creuset en verre de silice ainsi qu'un procédé et appareil pour sa fabricaition par fusion à l'arc
EP1762549A1 (fr) * 2005-09-08 2007-03-14 Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG Creuset de silice vitreuse avec une paroi intérieure sans bulles et une paroi présentant une croissance des bulles réduite
EP2251460A1 (fr) * 2008-02-29 2010-11-17 Japan Super Quartz Corporation Creuset en quartz pour tirage d'un monocristal de silicium et procédé de fabrication du creuset en quartz
WO2011067275A1 (fr) * 2009-12-04 2011-06-09 Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg Procédé de fabrication d'un creuset en verre de quartz

Also Published As

Publication number Publication date
EP2601147A1 (fr) 2013-06-12
UA110346C2 (ru) 2015-12-25
CN103003209A (zh) 2013-03-27
JP2013535394A (ja) 2013-09-12
US20130128912A1 (en) 2013-05-23
FR2963341B1 (fr) 2013-02-22
JP5886850B2 (ja) 2016-03-16
FR2963341A1 (fr) 2012-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5058378B2 (ja) 複合ルツボ
JP5462423B1 (ja) 単結晶シリコン引き上げ用シリカ容器及びその製造方法
TWI428482B (zh) 製備用於矽晶體成長之矽粉末融化物之方法
WO2012013887A1 (fr) Creuset de silice vitreuse a ouverture polygonale et sa methode de fabrication
TWI408259B (zh) 具有鋇摻雜內壁的矽玻璃坩堝
WO2000059837A1 (fr) Procede de fabrication d'un creuset en verre de quartz
JP5574534B2 (ja) 複合ルツボ
TW201113229A (en) Silica vessel and process for producing same
JP5608257B1 (ja) 単結晶シリコン引き上げ用シリカ容器及びその製造方法
JP2010105880A (ja) 多層構造を有する石英ガラスルツボ
WO1999061685A1 (fr) Creuset en verre de quartz destine a la croissance d'un monocristal de silicium et son procede de fabrication
TW200914371A (en) Processing of fine silicon powder to produce bulk silicon
JP2000044386A5 (fr)
JP5072936B2 (ja) 複合ルツボ及びその製造方法
TW201016622A (en) Method of manufacturing silica glass crucible for pulling silicon single crystals
WO1987005287A1 (fr) Procede de fabrication de verre
JP5121923B2 (ja) 石英ガラスルツボとその製造方法
US8496752B2 (en) Method and apparatus for venting gas between a crucible and a susceptor
JP2011088775A (ja) 複合ルツボ及びその製造方法
JP5639264B2 (ja) 石英ガラスルツボを製造する方法
WO2022249570A1 (fr) Creuset en verre de silice, son procédé de fabrication et procédé de fabrication de monocristal de silicium
JP2007191392A (ja) シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼの製造方法
KR20200116199A (ko) 가스버너와 3중 구조의 용융챔버를 이용한 소금 용융장치 및 소금 용융방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11743110

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2011743110

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011743110

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13812064

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013521183

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE