WO2003000961A2 - Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage - Google Patents

Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage Download PDF

Info

Publication number
WO2003000961A2
WO2003000961A2 PCT/FR2002/002192 FR0202192W WO03000961A2 WO 2003000961 A2 WO2003000961 A2 WO 2003000961A2 FR 0202192 W FR0202192 W FR 0202192W WO 03000961 A2 WO03000961 A2 WO 03000961A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
zone
heating
oven
furnace
solidification
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2002/002192
Other languages
English (en)
Other versions
WO2003000961A3 (fr
WO2003000961A8 (fr
Inventor
Gérard Petroz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to US10/482,268 priority Critical patent/US7048799B2/en
Priority to EP02758518A priority patent/EP1399606B1/fr
Priority to DE60205904T priority patent/DE60205904T2/de
Publication of WO2003000961A2 publication Critical patent/WO2003000961A2/fr
Publication of WO2003000961A3 publication Critical patent/WO2003000961A3/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Publication of WO2003000961A8 publication Critical patent/WO2003000961A8/fr
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • 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
    • 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
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/46—Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
    • C30B29/48—AIIBVI compounds wherein A is Zn, Cd or Hg, and B is S, Se or Te
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y10T117/1092—Shape defined by a solid member other than seed or product [e.g., Bridgman-Stockbarger]

Definitions

  • the present invention relates to a device for manufacturing alloy crystals by cooling and controlled solidification of a liquid material.
  • the homogeneity of the chemical composition is crucial because, in one case, it allows the mesh parameter to be adapted to that of an active thin layer deposited by epitaxy and, in another case, it participates directly in the detection.
  • the coefficient k for the element Zn is equal to 1.3 which means that the percentage of Zn varies from simple to double along the ingot. This is shown in the diagram in Figure 1.
  • the ordinate axis represents the concentration C of Zn in the alloy and the abscissa axis represents the fraction f of the solidified ingot.
  • Curve 1 shows the evolution of the concentration of Zn according to the Pfann relation.
  • Another known solution in an attempt to remedy this problem consists, in certain cases, in adding to the alloy an element whose segregation coefficient is opposite to that of the element for which the rate is to be stabilized. For example, in the case of
  • Document US-A-4,980,133 discloses a device for manufacturing controlled growth crystals.
  • the device comprises two heating tubes arranged in alignment and separated by a conductive sleeve.
  • the heating tubes impose two zones of different temperatures while the conductive sleeve provides a zone of thermal gradient between the heating tubes.
  • the growth of the crystal takes place in a bulb comprising the material to be crystallized. Crystallization is obtained by making lower the bulb from the warmer upper zone to the colder lower zone.
  • US-A-4,264,406 discloses a method of crystal growth. The method includes the steps of:
  • the crystallization point must advance very regularly as the crystal grows.
  • the device according to the invention has the advantage of not requiring any displacement of the bulb or crucible containing the material, or even of the oven. It is therefore associated with a simple and very flexible process in its applications, in particular the shape of the gradient.
  • the subject of the invention is therefore a device for manufacturing alloy crystals by cooling and controlled solidification of a liquid material comprising the constituents of the alloy, comprising an oven provided with heating means making it possible to liquidize said material and then cooling it until its solidification is gradually obtained, the device also comprising means for receiving said material placed in the furnace, characterized in that:
  • the heating means comprise three heating elements providing three juxtaposed heating zones: a so-called hot zone, an intermediate zone called with a temperature gradient and a so-called cold zone, the intermediate zone being between the cold zone and the hot zone, the receiving means are fixed relative to the furnace and are located so that the material is in the intermediate zone,
  • thermally conductive means are arranged between the receiving means and the heating means and extend from the cold zone to the hot zone.
  • the heating means are electric heating means.
  • the oven is a vertical oven, the three heating zones being superimposed.
  • the hot zone can be located above the intermediate zone, the cold zone then being located below the intermediate zone.
  • the thermally means conductors may consist of a tube.
  • this tube is a tube of constant thickness.
  • the thermally conductive means are made of a metal chosen from copper, aluminum and special steels.
  • FIG. 1 is a diagram representing the evolution of the Zn concentration in a CdZnTe alloy according to Pfann's law for an ingot according to known art and for an ingot according to the invention
  • - Figure 2 shows, schematically and in longitudinal section, a device for manufacturing alloy crystals according to the invention
  • - Figure 3 is a graph showing the evolution of temperatures on the material to be solidified, at the start and at the end of solidification
  • FIGS. 4A to 4C are graphs representing cooling programs allowing to modify or not the speed of solidification and the thermal gradient during solidification.
  • FIG. 2 represents, in longitudinal section, a device for manufacturing alloy crystals according to the invention. This device is generally cylindrical.
  • the device comprises a vertical oven 10 in the form of a hollow cylinder.
  • the central hole of the oven allows the introduction of a crucible 20 comprising the material 21 to be crystallized.
  • the oven 10 has three electric heating elements: the coil 11 located in the lower part, the coil 12 located in the middle part and the coil 13 located in the upper part.
  • the coils 11, 12 and 13 respectively define a cold zone 14, an intermediate zone 15 (with temperature gradient) and a hot zone 16.
  • the tube can be made of copper, aluminum or special steel.
  • the diameter of the crucible 20 is very close to the inside diameter of the tube 17.
  • the tube 17 passes through the three heating zones. Its thickness must be sufficient for the transport of calories from the hot zone to the cold zone to take place properly.
  • the intermediate zone 15 has a height at least equal to the height of liquid material provided in the crucible 20.
  • the crucible 20 is confined to the center of the furnace and remains stationary during the slow solidification operation which takes place from bottom to top in this example of implementation, at a speed of between 0.1 and 5 mm / h for a CdZnTe type alloy.
  • Plugs 18 and 19 close the two ends of the central hole in the oven. They are housed in the parts of the central hole corresponding to the cold and hot zones. Controlled solidification of the material is obtained by creating a continuous thermal gradient in the intermediate zone 15. Its average value depends on the temperature difference between the upper 16 and lower 14 zones of the furnace and the power supplied to the intermediate zone 15.
  • FIG. 3 illustrates the principle of controlled solidification implemented by the invention.
  • FIG. 3 shows, on the right part of the figure, the crucible 20 containing the material to be crystallized 21.
  • a graph representing the evolution of the temperatures on the material to be crystallized, at the beginning and at the end of solidification.
  • solidification takes place bottom to top but this solidification can also be carried out from top to bottom or not vertically.
  • point A (on the lower surface of the material) is at temperature T 0 which is the actual solidification temperature of the material.
  • T 0 the actual solidification temperature of the material.
  • point B located on the surface of the liquid, the temperature is higher and is worth T B.
  • the thermal gradient between points A and B is (T B - T 0 ) / h, h being the height of the material in the crucible.
  • the temperatures are plotted on the temperature axis T.
  • the progressive solidification of the liquid material is obtained by cooling the three zones 14, 15 and 16.
  • the whole of the thermal gradient moves during the operation towards lower temperatures as indicated by the arrows so that, when the temperature at point B reaches the value T 0 , solidification is complete.
  • the invention allows the realization and control of very continuous and precise thermal gradients in the range (for example from 0 to 5 ° C / cm over 25 cm in length) on the whole of the liquid in particular and therefore a controlled action on the liquid convection regime, the main actor in the segregation of the material constituents.
  • Curve 2 of FIG. 1 shows, for a CdZnTe alloy, the evolution of the Zn concentration using the device according to the invention. It can be noted, by comparison with curve 1, that better homogeneity is obtained on 80% of the ingot. The beginning and end of the ingot are discarded because they have specific defects.
  • FIGS. 4A to 4C are graphs representing cooling programs making it possible to modify or not the speed of solidification and the thermal gradient during solidification.
  • the height h of material to be crystallized has been mentioned in these figures.
  • FIG. 4A shows programs with constant solidification speed.
  • the solid line graph corresponds to a constant thermal gradient. It is similar to that of FIG. 3.
  • the graph in phantom lines corresponds to a decreasing thermal gradient.
  • the dashed line graph corresponds to an increasing thermal gradient.
  • FIG. 4B shows a graph corresponding to a program with increasing solidification speed and decreasing thermal gradient.
  • FIG. 4C shows a graph corresponding to a program with decreasing solidification speed and increasing thermal gradient.
  • the device according to the invention remedies these risks for the following reasons: • the crucible containing the material is fixed and very confined in the furnace, which has the consequence no vibrations and no chimney effect for the surrounding gases;
  • the thermally conductive means passing through the furnace best homogenize the thermal power generated by the furnace heating means, both radially and longitudinally;
  • the device according to the invention is very simple and economically advantageous. It allows the production of high quality crystalline materials (minimum dislocation rate, perfection of the crystal lattice, minimized effects of species segregation).
  • the thermally conductive means for example a tube
  • the device according to the invention allows in particular the manufacture of CdZnTe crystals intended for optronics.
  • the homogeneity of the Zn rate is improved by a factor of 1.5 on an ingot 90 mm in diameter and 100 mm long.
  • the crystalline quality of the material obtained is very suitable for the intended application.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Le dispositif de l'invention comprend un four (10) pourvu de moyens de chauffage permettant de rendre liquide le matériau à cristalliser puis de le refroidir jusqu'à obtenir progressivement sa solidification. Le dispositif comprend aussi des moyens de réception (20) du matériau (21) disposés dans le four, fixes par rapport au four et situés de façon que le matériau se trouve dans la zone intermédiaire. Les moyens de chauffage (11, 12, 13) fournissent trois zones de chauffage: une zone chaude (16), une zone intermédiaire (15) et une zone froide (14). Des moyens thermiquement conducteurs (17) sont disposés entre les moyens de réception (20) et les moyens de chauffage (11, 12, 13) et s'étendent depuis la zone froide jusqu'à la zone chaude.

Description

DISPOSITIF DE FABRICATION DE CRISTAUX D'ALLIAGE PAR REFROIDISSEMENT ET SOLIDIFICATION CONTROLEE D'UN
MATERIAU LIQUIDE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de fabrication de cristaux d'alliage par refroidissement et solidification contrôlée d'un matériau liquide.
Elle concerne en particulier la fabrication de cristaux de semiconducteurs composés (binaires, ternaires, etc.) des familles III-V ou II-VI où l'homogénéité de composition associée à la qualité cristalline permet d'atteindre les spécifications et les performances de l'application envisagée. On peut citer à titre d'exemple le CdZnTe utilisé comme substrat en détection infrarouge ou comme matériau détecteur des rayonnements ionisants (rayons X, γ, etc) .
Dans ces deux applications, l'homogénéité de la composition chimique, et en particulier le pourcentage de Zn, est capitale parce que, dans un cas, il permet d'adapter le paramètre de maille à celui d'une couche mince active déposée par épitaxie et, dans un autre cas, il participe directement à la détection.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Il est bien connu qu'au cours de la solidification d'un alliage, la concentration de ces constituants (ou des impuretés qui s'y trouvent varie le long du lingot. Cette concentration suit en général la relation suivante appelée relation de Pfann :
C = C0k(l - f) "1 f étant la fraction du lingot solidifié, C étant la concentration en f,
C0 étant la concentration en f = 0, k étant le coefficient de ségrégation.
Dans le cas de l'alliage CdZnTe, le coefficient k pour l'élément Zn vaut 1,3 ce qui signifie que le pourcentage de Zn varie du simple au double le long du lingot. C'est ce que montre le diagramme de la figure 1.
Pour ce diagramme, l'axe des ordonnées représente la concentration C de Zn dans l'alliage et l'axe des abscisses représente la fraction f du lingot solidifié. La courbe 1 montre l'évolution de la concentration de Zn selon la relation de Pfann.
Dans le cas de certaines impuretés à faible concentration, un traitement thermique adapté permet, par diffusion, d'homogénéiser le taux d'impuretés dans un alliage ou un matériau. Cependant, cette méthode ne peut pas s'appliquer pour les constituants d'alliages dont les taux peuvent atteindre 25%.
Une autre solution connue pour tenter de remédier à ce problème consiste, dans certains cas, à ajouter à l'alliage un élément dont le coefficient de ségrégation est opposé à celui de l'élément dont on veut stabiliser le taux. Par exemple, dans le cas de
CdZnTe, il est possible d'ajouter l'élément Se dont le coefficient de ségrégation vaut 0,9. Ceci permet en effet d'homogénéiser la valeur du paramètre de maille sur le lingot, mais la présence de cet élément a des conséquences néfastes sur une couche active déposée par épitaxie .
L'article « Gro th and characterization of 100 mm diameter CdZnTe single crystals by the vertical gradient freezing method » de T. ASAHI et al., paru dans Journal of Crystal Growth 161 (1996) , pages 20-27, divulgue un procédé de croissance d'un cristal de CdZnTe dans un four comportant plusieurs zones de chauffage dont les températures sont contrôlées indépendamment. Le matériau à cristalliser se trouve dans une ampoule de quartz qui reste fixe au centre du four. Ce procédé de croissance ne fournit cependant pas de lingots homogènes et monocristallins. II se pose donc le problème de réduire la ségrégation de certains constituants d'un alliage afin d'améliorer l'homogénéité de composition dans le cas d'une solidification lente et contrôlée et de garantir une qualité cristallographique ou des propriétés spécifiques homogènes.
Le document US-A-4 980 133 divulgue un dispositif de fabrication de cristaux à croissance contrôlée. Le dispositif comprend deux tubes chauffants disposés en alignement et séparés par un manchon conducteur. Les tubes chauffants imposent deux zones de températures différentes tandis que le manchon conducteur assure une zone de gradient thermique entre les tubes chauffants. La croissance du cristal se fait dans une ampoule comprenant le matériau à cristalliser. La cristallisation s'obtient en faisant descendre l'ampoule de la zone supérieure plus chaude vers la zone inférieure plus froide.
Le document US-A-4 264 406 divulgue un procédé de croissance cristalline. Le procédé comprend les étapes consistant à :
- disposer un creuset contenant le matériau à cristalliser à proximité de la paroi chauffante d'un four, le creuset demeurant fixe par rapport à la paroi chauffante durant les phases de chauffage et de refroidissement,
- maintenir la température de la paroi chauffante au-dessus du point de fusion du matériau,
- introduire progressivement un écran entre le creuset et la paroi chauffante, l'écran permettant le refroidissement du cristal.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La qualité du lingot étant directement liée au gradient de température auquel est soumis le matériau liquide à solidifier, le point de cristallisation doit avancer très régulièrement au fur et à mesure que le cristal grandit. Pour cela, il est proposé selon la présente invention de placer autour du matériau liquide un tube réalisé en un matériau très bon conducteur thermique . Le dispositif selon l'invention présente l'avantage de n'imposer aucun déplacement de l'ampoule ou du creuset contenant le matériau, ou encore du four. Il est donc associé à un procédé simple et très souple dans ses applications, notamment la forme du gradient. L'invention a donc pour objet un dispositif de fabrication de cristaux d'alliage par refroidissement et solidification contrôlée d'un matériau liquide comprenant les constituants de l'alliage, comprenant un four pourvu de moyens de chauffage permettant de rendre liquide ledit matériau puis de le refroidir jusqu'à obtenir progressivement sa solidification, le dispositif comprenant aussi des moyens de réception dudit matériau disposés dans le four, caractérisé en ce que :
- les moyens de chauffage comprennent trois éléments chauffants fournissant trois zones de chauffage juxtaposées : une zone dite chaude, une zone intermédiaire dite à gradient de température et une zone dite froide, la zone intermédiaire étant comprise entre la zone froide et la zone chaude, - les moyens de réception sont fixes par rapport au four et sont situés de façon que le matériau se trouve dans la zone intermédiaire,
- des moyens thermiquement conducteurs sont disposés entre les moyens de réception et les moyens de chauffage et s'étendent depuis la zone froide jusqu'à la zone chaude .
Avantageusement, les moyens de chauffage sont des moyens de chauffage électrique.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le four est un four vertical, les trois zones de chauffage étant superposées. La zone chaude peut être située au-dessus de la zone intermédiaire, la zone froide étant alors située en dessous de la zone intermédiaire . Si le four et les moyens de réception sont de forme cylindrique, les moyens thermiquement conducteurs peuvent être constitués par un tube. Avantageusement, ce tube est un tube d'épaisseur constante .
De préférence, les moyens thermiquement conducteurs sont en un métal choisi parmi le cuivre, l'aluminium et les aciers spéciaux.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
- le figure 1 est un diagramme représentant l'évolution de la concentration en Zn dans un alliage CdZnTe selon la loi de Pfann pour un lingot selon l'art connu et pour un lingot selon l'invention,
- la figure 2 représente, de manière schématique et en coupe longitudinale, un dispositif de fabrication de cristaux d'alliage selon l'invention, - la figure 3 est un graphe représentant l'évolution des températures sur le matériau à solidifier, en début et en fin de solidification,
- les figures 4A à 4C sont des graphes représentant des programmes de refroidissement permettant de modifier ou non la vitesse de solidification et le gradient thermique en cours de solidification. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
La figure 2 représente, en coupe longitudinale, un dispositif de fabrication de cristaux d'alliage selon l'invention. Ce dispositif est de forme générale cylindrique.
Le dispositif comprend un four vertical 10 en forme de cylindre creux. Le trou central du four permet l'introduction d'un creuset 20 comprenant le matériau 21 à cristalliser.
Le four 10 comporte trois éléments chauffants électriques : la bobine 11 située en partie inférieure, la bobine 12 située en partie médiane et la bobine 13 située en partie supérieure. Les bobines 11, 12 et 13 définissent respectivement une zone froide 14, une zone intermédiaire 15 (à gradient de température) et une zone chaude 16.
Un tube 17, très bon conducteur thermique, est disposé dans le trou central du four. Selon les spécificités du matériau à cristalliser, le tube peut être en cuivre, en aluminium ou en acier spécial. Comme le montre la figure 2, le diamètre du creuset 20 est très proche du diamètre intérieur du tube 17.
Dans cet exemple de réalisation, le tube 17 traverse les trois zones de chauffage. Son épaisseur doit être suffisante pour que le transport de calories de la zone chaude vers la zone froide se fasse convenablement .
On remarque que la zone intermédiaire 15 a une hauteur au moins égale à la hauteur de matériau liquide prévue dans le creuset 20. Le creuset 20 est confiné au centre du four et reste fixe pendant l'opération de solidification lente qui s'effectue de bas en haut dans cet exemple de mise en œuvre, à une vitesse comprise entre 0,1 et 5 mm/h pour un alliage de type CdZnTe.
Des bouchons 18 et 19 obturent les deux extrémités du trou central du four. Ils se logent dans les parties du trou central correspondant aux zones froide et chaude . La solidification contrôlée du matériau est obtenue en créant un gradient thermique continu dans la zone intermédiaire 15. Sa valeur moyenne dépend de la différence de température entre les zones supérieure 16 et inférieure 14 du four et de la puissance fournie à la zone intermédiaire 15.
Le déplacement du gradient thermique est obtenu en refroidissant les trois zones convenablement, la limite solide-liquide étant à la température théorique de solidification de l'alliage. La figure 3 illustre le principe de solidification contrôlée mis en œuvre par l'invention.
La figure 3 montre, sur la partie droite de la figure, le creuset 20 contenant le matériau à cristalliser 21. Sur la partie gauche de la figure et en correspondance avec le creuset représenté en partie droite est placé un graphe représentant l'évolution des températures sur le matériau à cristalliser, en début et en fin de solidification.
Dans cet exemple de mise en œuvre du procédé selon l'invention, la solidification a lieu de bas en haut mais cette solidification peut aussi être réalisée de haut en bas ou non verticalement.
Au début de la solidification, le point A (à la surface inférieure du matériau) est à la température T0 qui est la température réelle de solidification du matériau. Au point B, situé à la surface du liquide, la température est plus élevée et vaut TB. Le gradient thermique entre les points A et B est (TB - T0) /h, h étant la hauteur du matériau dans le creuset. Les températures sont reportées sur l'axe des températures T.
La solidification progressive du matériau liquide est obtenue en refroidissant les trois zones 14, 15 et 16. L'ensemble du gradient thermique se déplace au cours de l'opération vers des températures inférieures comme cela est indiqué par les flèches de sorte que, quand la température au point B atteint la valeur T0, la solidification est terminée.
L'invention permet la réalisation et le contrôle de gradients thermiques très continus et précis dans la gamme (par exemple de 0 à 5°C/cm sur 25 cm de longueur) sur l'ensemble du liquide en particulier et donc une action contrôlée sur le régime de convection du liquide, acteur principal de la ségrégation des constituants du matériau.
La courbe 2 de la figure 1 montre, pour un alliage CdZnTe, l'évolution de la concentration en Zn en utilisant le dispositif selon l'invention. On peut remarquer, par comparaison avec la courbe 1, qu'une meilleure homogénéité est obtenue sur 80% du lingot. Le début et la fin du lingot sont écartés parce qu'ils comportent des défauts spécifiques.
Les figures 4A à 4C sont des graphes représentant des programmes de refroidissement permettant de modifier ou non la vitesse de solidification et le gradient thermique en cours de solidification. On a mentionné sur ces figures la hauteur h de matériau à cristalliser.
La figure 4A montre des programmes à vitesse de solidification constante. Le graphe en trait plein correspond à un gradient thermique constant. Il est similaire à celui de la figure 3. Le graphe en traits mixtes correspond à un gradient thermique décroissant. Le graphe en traits interrompus correspond à un gradient thermique croissant.
La figure 4B montre un graphe correspondant à un programme à vitesse de solidification croissante et à gradient thermique décroissant.
La figure 4C montre un graphe correspondant à un programme à vitesse de solidification décroissante et à gradient thermique croissant.
On sait qu'en cristallogenèse la moindre variation de température peut avoir des conséquences directes et néfastes sur la qualité des lingots fabriqués puisqu'elle agit directement sur la vitesse de solidification qui, si elle n'est pas continue, génère des défauts et des variations de ségrégation des espèces. Le dispositif selon l'invention remédie à ces risques pour les raisons suivantes : • le creuset contenant le matériau est fixe et très confiné dans le four, ce qui a pour conséquence une absence de vibrations et pas d'effet de cheminée pour les gaz environnants ;
• les moyens thermiquement conducteurs traversant le four homogénéisent au mieux la puissance thermique générée par les moyens de chauffage du four, à la fois radialement et longitudinalement ;
• la masse de ces moyens thermiquement conducteurs peut absorber de petites variations de température sans conséquence majeure sur la croissance du solide ;
• la géométrie de ces moyens thermiquement conducteurs (tube cylindrique d'épaisseur constante par exemple) permet la réalisation d'un gradient thermique linéaire, ou au contraire non linéaire, mais très continu. (Si on le souhaite, cette souplesse permet de faire varier de manière continue la vitesse de solidification le long du lingot et donc d'agir sur la ségrégation des espèces) .
Le dispositif selon l'invention est très simple et économiquement intéressant. Il permet la réalisation de matériaux de grande qualité cristalline (taux de dislocation minimum, perfection du réseau cristallin, effets minimisés de la ségrégation des espèces) . En cas de fuite du creuset ou de réaction des espèces, les moyens thermiquement conducteurs (par exemple un tube) protègent les éléments chauffants du four.
Le dispositif selon l'invention permet en particulier la fabrication de cristaux de CdZnTe destinés à l'optronique. L'homogénéité du taux de Zn est améliorée d'un facteur 1,5 sur un lingot de 90 mm de diamètre et de 100 mm de long. La qualité cristalline du matériau obtenu est très convenable pour l'application envisagée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage par refroidissement et solidification contrôlée d'un matériau liquide (21) comprenant les constituants de l'alliage, comprenant un four (10) pourvu de moyens de chauffage (11, 12, 13) permettant de rendre liquide ledit matériau puis de le refroidir jusqu'à obtenir progressivement sa solidification, le dispositif comprenant aussi des moyens de réception (20) dudit matériau disposés dans le four, caractérisé en ce que :
- les moyens de chauffage comprennent trois éléments chauffants fournissant trois zones de chauffage juxtaposées : une zone dite chaude (16) , une zone intermédiaire (15) dite à gradient de température et une zone dite froide (14), la zone intermédiaire étant comprise entre la zone froide et la zone chaude,
- les moyens de réception (20) sont fixes par rapport au four (10) et sont situés de façon que le matériau se trouve dans la zone intermédiaire (15) ,
- des moyens thermiquement conducteurs (17) sont disposés entre les moyens de réception (20) et les moyens de chauffage (11, 12, 13) et s'étendent depuis la zone froide (14) jusqu'à la zone chaude (16) .
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (11, 12, 13) sont des moyens de chauffage électrique.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce que le four étant un four vertical, les trois zones de chauffage (14, 15, 16) sont superposées.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la zone chaude (16) est située au-dessus de la zone intermédiaire (15) , la zone froide (14) étant située en dessous de la zone intermédiaire.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le four (10) et les moyens de réception (20) étant de forme cylindrique, les moyens thermiquement conducteurs (17) sont constitués par un tube.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube est un tube d'épaisseur constante .
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens thermiquement conducteurs (17) sont en un métal choisi parmi le cuivre, l'aluminium et les aciers spéciaux.
PCT/FR2002/002192 2001-06-26 2002-06-25 Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage Ceased WO2003000961A2 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/482,268 US7048799B2 (en) 2001-06-26 2002-06-25 Device for producing alloy crystals by cooling and controlled solidification of a liquid material
EP02758518A EP1399606B1 (fr) 2001-06-26 2002-06-25 Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage
DE60205904T DE60205904T2 (de) 2001-06-26 2002-06-25 Vorrichtung zur herstellung von legierungskristallen

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0108402A FR2826377B1 (fr) 2001-06-26 2001-06-26 Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage par refroidissement et solidification controlee d'un materiau liquide
FR01/08402 2001-06-26

Publications (3)

Publication Number Publication Date
WO2003000961A2 true WO2003000961A2 (fr) 2003-01-03
WO2003000961A3 WO2003000961A3 (fr) 2003-10-02
WO2003000961A8 WO2003000961A8 (fr) 2004-04-01

Family

ID=8864769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2002/002192 Ceased WO2003000961A2 (fr) 2001-06-26 2002-06-25 Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7048799B2 (fr)
EP (1) EP1399606B1 (fr)
DE (1) DE60205904T2 (fr)
FR (1) FR2826377B1 (fr)
WO (1) WO2003000961A2 (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1306073C (zh) * 2004-12-22 2007-03-21 哈尔滨工业大学 晶体的可视小角度倾斜区熔生长装置及其生长方法
CN1307329C (zh) * 2004-06-30 2007-03-28 哈尔滨工业大学 晶体的可视化小角度倾斜温梯冷凝生长装置及其生长方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004111540A2 (fr) * 2003-06-11 2004-12-23 Huntington Alloys Corporation Four a de zones de chauffage multiples et procede d'elimination des contraintes sur un superalliage
WO2014035480A1 (fr) * 2012-08-30 2014-03-06 General Electric Company Four à induction doté d'une capacité de refroidissement uniforme

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4264406A (en) * 1979-06-11 1981-04-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method for growing crystals
EP0078830B1 (fr) * 1981-05-15 1985-11-06 Philips Electronics Uk Limited Procede de formation de tellurure de mercure de cadmium cristallin et tellurure de mercure de cadmium cristallin forme a l'aide de cette methode
US4980433A (en) * 1983-10-26 1990-12-25 Betz Laboratories, Inc. Novel amine-containing copolymers and their use
US4980133A (en) * 1988-03-16 1990-12-25 Ltv Aerospace & Defense Company Apparatus comprising heat pipes for controlled crystal growth
JP2717568B2 (ja) * 1989-02-21 1998-02-18 株式会社フューテックファーネス 単結晶育成装置
JP4228439B2 (ja) * 1998-11-12 2009-02-25 住友電気工業株式会社 結晶製造装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1307329C (zh) * 2004-06-30 2007-03-28 哈尔滨工业大学 晶体的可视化小角度倾斜温梯冷凝生长装置及其生长方法
CN1306073C (zh) * 2004-12-22 2007-03-21 哈尔滨工业大学 晶体的可视小角度倾斜区熔生长装置及其生长方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE60205904D1 (de) 2005-10-06
US20040244679A1 (en) 2004-12-09
EP1399606B1 (fr) 2005-08-31
WO2003000961A3 (fr) 2003-10-02
US7048799B2 (en) 2006-05-23
EP1399606A2 (fr) 2004-03-24
WO2003000961A8 (fr) 2004-04-01
DE60205904T2 (de) 2006-06-22
FR2826377A1 (fr) 2002-12-27
FR2826377B1 (fr) 2003-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0130865B1 (fr) Dispositif d'élaboration d'un monocristal
FR2465802A1 (fr) Procede de solidification d'un fluide tel qu'un bain de silicium et procede obtenu
FR2472039A1 (fr) Procedes et dispositifs de solidification directionnelle
WO2014064347A1 (fr) Procede de formation d'un lingot en silicium dopé de resistivite uniforme.
EP1613795A2 (fr) CREUSET POUR UN DISPOSITIF DE FABRICATION D’UN BLOC DE MATERIAU CRISTALLIN ET PROCEDE DE FABRICATION
EP1399606B1 (fr) Dispositif de fabrication de cristaux d'alliage
FR2836931A1 (fr) PROCEDE DE PRODUCTION DE CRISTAUX CdXTe SEMI-CONDUCTEURS A HAUTE RESISTIVITE ET MATERIAU CRISTALLIN RESULTANT
CN116288647B (zh) 碳化硅单晶的生长方法、碳化硅单晶、坩埚和生长系统
EP0775766A1 (fr) Four de cristallisation pour matériau à faible conductivité thermique et/ou faible dureté
FR2565604A1 (fr) Procede et dispositif pour le tirage de barres de silicium monocristallin
EP2802532B1 (fr) Procédé de purification du silicium
EP0133084B1 (fr) Procédé de fabrication de monocristaux de germanate de bismuth à fort rendement de scintillation
FR2816755A1 (fr) Procede de croissance d'un materiau semi-conducteur massif de type ii-vi
EP0214350B1 (fr) Procédé de préparation d'un alliage polycristallin destiné à la réalisation de monocristaux par passage dans une zone de solvant
FR2549094A1 (fr) Procede de preparation de hg1-xcdxte monocristallin
Grasza et al. Low supersaturation nucleation and “contactless” growth of photorefractive ZnTe crystals
KR20140033411A (ko) 복합 활성 몰드 및 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법
WO2017081403A1 (fr) Procédé d'élaboration d'alliages monocristallins à base de cuivre
EP2363515A1 (fr) Procédé pour la réalisation d'un matériau semi-conducteur cristallisé
Shtanov Conditions for single-crystal formation during bridgman growth
WO2002020878A1 (fr) Procede de cristallogenese et installation pour sa mise en oeuvre, et cristaux obtenus
EP2262932A1 (fr) Procede de cristallogenese d'un materiau electriquement conducteur a l'etat fondu
FR2560226A1 (fr) Procede de preparation d'un alliage polycristallin destine a la realisation de monocristaux par passage dans une zone de solvant
FR2956124A1 (fr) Procede de fabrication de graphite monocristallin
Regel et al. Modeling of detached solidification

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2002758518

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2002758518

Country of ref document: EP

CFP Corrected version of a pamphlet front page

Free format text: UNDER (54) PUBLISHED TITLE IN ENGLISH REPLACED BY CORRECT TITLE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10482268

Country of ref document: US

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 2002758518

Country of ref document: EP