EP3310516A1 - Fil abrasif pour la découpe de tranches dans un lingot en matériau dur - Google Patents

Fil abrasif pour la découpe de tranches dans un lingot en matériau dur

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Publication number
EP3310516A1
EP3310516A1 EP16734427.4A EP16734427A EP3310516A1 EP 3310516 A1 EP3310516 A1 EP 3310516A1 EP 16734427 A EP16734427 A EP 16734427A EP 3310516 A1 EP3310516 A1 EP 3310516A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire
abrasive
abrasive particles
diameter
tbo
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.)
Withdrawn
Application number
EP16734427.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Ly
Gérald Sanchez
Ludovic LAFLEUR
Xavier WEBER
Tifenn DECORPS
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.)
Thermocompact SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Thermocompact SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives 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, Thermocompact SA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3310516A1 publication Critical patent/EP3310516A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D61/00—Tools for sawing machines or sawing devices; Clamping devices for these tools
    • B23D61/18—Sawing tools of special type, e.g. wire saw strands, saw blades or saw wire equipped with diamonds or other abrasive particles in selected individual positions
    • B23D61/185—Saw wires; Saw cables; Twisted saw strips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/04—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools
    • B28D5/045—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools by cutting with wires or closed-loop blades

Definitions

  • the invention relates to an abrasive wire for cutting slices in a hard material ingot. It also relates to a method of cutting slices in an ingot of hard material.
  • a material is hard if its microhardness on the Vickers scale is greater than 400 Hv or greater than or equal to 4 on the Mohs scale.
  • the Vickers micro-impurities are expressed for a load of 50 gram force, that is to say for a force of 0.49N.
  • the load must be adjusted according to the thickness of the material on which the measurements are made so that the size of the Vickers impression is less than the thickness of the material.
  • Abrasive son known for cutting slices of a hard material ingot comprise:
  • abrasive particles whose minimum diameter of the abrasive particles at 5%, denoted D5, is greater than or equal to 5 ⁇ and whose maximum diameter of the abrasive particles at 95%, denoted D95, is less than 40 ⁇ , the diameter D5 being that only 5%, by volume, of the abrasive particles have a diameter smaller than this diameter D5, and the diameter D95 means that 95%, by volume, of the abrasive particles have a diameter smaller than the diameter D95, the diameter of an abrasive particle being measured by Coulter counter and corresponding to the diameter of the sphere which would have the same volume as the abrasive particle,
  • the cutting precision of the slices is the inverse of the maximum variation of the slice thickness. In other words, the smaller the thickness of the cut wafer, the more the abrasive wire is considered accurate.
  • the invention aims to provide a more precise cutting wire. It therefore relates to a cutting wire according to claim 1.
  • the abrasive wire is moved alternately in one direction and then in the opposite direction so as to obtain a back and forth motion.
  • the wire is wound and, alternately, unwound from a reeling spool.
  • the turns of the abrasive wire rub against each other, which wears the wire significantly.
  • each turn of the abrasive wire rubs directly against the abrasive particles of other neighboring turns.
  • this friction of the turns is limited on the abrasive particles of the neighboring turns since these comprise less abrasive particles. Therefore, this may explain that reducing the number of abrasive particles per millimeter makes it possible to maintain a constant cutting power for a longer duration.
  • Embodiments of this abrasive wire may include one or more of the features of the dependent claims.
  • Using less than twenty-five abrasive particles per millimeter makes it possible to further reduce the variation in thickness of the cut slices and to increase the average thickness of the slices obtained for the same spacing between the parallel sections of the wire which cut the ingot.
  • a binder whose hardness is greater than 500 Hv on the Vickers scale makes it possible to further reduce the thickness variations of the cut slices.
  • abrasive particles for which the diameter D95 is less than 25 ⁇ makes it possible to further reduce the thickness variations of the cut slices.
  • multi-crystalline diamonds improves the cutting power of the yarn and further reduces the thickness variations of cut slices.
  • the invention also relates to a method of cutting slices using the claimed cutting abrasive wire.
  • Embodiments of this method may include the feature of the dependent claim.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a slice cutting machine in an ingot of hard material
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a cross-section of an abrasive cutting wire used in the machine of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic and side illustration of a portion of the abrasive cutting wire of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a flowchart of a slice cutting process in a hard material ingot using the machine of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a diagrammatic illustration in plan view of a slice cut with the machine of FIG. 1.
  • Figure 1 shows a machine 2 for cutting an ingot 4 in thin slices.
  • the ingot 4 is a block, typically parallelepipedic, of a hard material.
  • the hard material is monocrystalline or polycrystalline silicon or sapphire or silicon carbide.
  • the ingot 4 is a monocrystalline silicon block. This ingot 4 extends parallel to a horizontal direction Y.
  • Figure 1 is oriented relative to an orthogonal reference XYZ, where X and Y are horizontal directions and Z is the vertical direction.
  • thin slice typically denotes a slice whose thickness is less than 5 mm and generally less than 1 mm. These slices are better known as "Wafer”.
  • the cutting machines of such slices are well known and only the details necessary for the understanding of the invention are given here. For example, for more information on such a machine, the reader can refer to the application US20120298091.
  • the machine 2 comprises:
  • an actuator 12 which vertically moves the ingot 4 as the wire 10 cuts off this ingot 4,
  • the wire 10 is intended to cut the ingot 4 by friction or abrasion.
  • the structure of the wire 10 is described in more detail with reference to Figures 2 and 3.
  • the length of this wire 10 is generally greater than 100 m or 1000 m and usually less than 100 km.
  • the wire 10 is surrounded around wire guides, not shown in FIG. 1, so as to obtain several sections of the wire 10 which are parallel to one another and which rub at the same time on the ingot 4.
  • the space between two successive parallel sections of the yarn 10 in the Y direction then defines the thickness of the cut slice.
  • the motors 18 and 20 drive the coils 14 and 16 in rotation sometimes in one direction, sometimes in the opposite direction, so that the wire 10 is driven in a back and forth motion.
  • Each coil 14, 16 generally comprises several turns of the wire 10 directly stacked on each other along the radial direction of this coil.
  • the wire 10 is mechanically tensioned between the coils 14 and 16.
  • the machine 2 further comprises mechanisms 22 and 24 to adjust the tension of the wire 10.
  • these mechanisms 22 and 24 allow to adjust the tension of the wire 10 wound on the coils 14 and 16.
  • These mechanisms 22 and 24 are for example identical to those described in the application US20120298091.
  • Figures 2 and 3 show more detail the wire 10. It comprises a central core 30 on the periphery of which are fixed abrasive particles 32 held on the central core by a binder 34.
  • the central core 30 is in the form of a single wire having a tensile strength greater than 2,000 MPa or 3,000 MPa and, generally, less than 5,000 MPa.
  • the elongation at break of the core 30 is greater than 1% and preferably greater than 2%.
  • the elongation at break of the core 30 must not be too great and, for example, must remain below 10% or 5%.
  • the elongation at break here represents the increase in the length of the core 30 before it breaks.
  • the core 30 has a circular cross section.
  • the diameter of the core 30 is between 50 ⁇ and 150 ⁇ and often between 70 ⁇ and 150 ⁇ . In this example, the diameter of the core 30 is equal to 120 ⁇ .
  • the core 30 is made of an electrically conductive material.
  • a material is considered electrically conductive if its resistivity is less than 10 5 ⁇ m at 20 ° C.
  • the core 30 is made of steel, such as carbon steel or ferritic stainless steel or brass steel.
  • the core 30 is steel at 0.8% by weight of carbon.
  • the linear density m of the core 4 is, for example, between 10 mg / m and 500 mg / m 2 and preferably between 50 mg / m and 200 mg / m 2.
  • the abrasive particles 32 form teeth on the surface of the core 30 which will come to erode the material to be cut. These abrasive particles must be harder than the material to be cut. Typically, the abrasive particles have a hardness of at least 30 Hv or 100 Hv greater than that of the ingot to be cut.
  • each abrasive particle is formed of a material whose hardness is greater than 430 Hv on the Vickers scale and preferably greater than or equal to 1000 Hv. On the Mohs scale, the hardness of this material is greater than 7 or 8. Typically, this material represents more than 80% or 90% of the volume of the abrasive particle.
  • the particles 32 are diamonds.
  • these diamonds are multicrystalline diamonds often referred to by the acronym "RB diamonds (" Resin Bond ”) or monocrystalline diamonds called” Hyperion "such as those described in Application WO2011014884 and sold by the company Sandvik Hyperion®.
  • RB diamonds Resin Bond
  • Hyperion monocrystalline diamonds called Hyperion "such as those described in Application WO2011014884 and sold by the company Sandvik Hyperion®.
  • the hardness of an abrasive particle can be estimated from their chemical composition, crystalline structure, and published data on the hardness of different minerals.
  • the particles 32 are Hyperion diamonds. These Hyperion diamonds have the following characteristics:
  • Surface roughness and sphericity are defined in WO2011014884. It is simply recalled here that the surface roughness is a measure, in a two-dimensional image, of the amount of holes and peaks on the edges of an object or on the edges of this object as indicated by the analyzer. CLEMEX image (Clemex Vision User's Guide PE 3.5 ⁇ 2001). The surface roughness is determined by the ratio between the perimeter perimeter on real perimeter. Sphericity is the surface, in a two-dimensional image, of the object on its perimeter squared. Because of these properties, Hyperion diamonds have a greater surface area than RB diamonds. The specific surface is equal to the sum external surfaces of diamonds divided by the sum of the masses of these diamonds for the same lot.
  • the sizes of the particles 32 are distributed according to a law of probability.
  • the particle size distribution 32 is such that:
  • the minimum diameter of the particles at 5% is greater than 5 ⁇
  • the maximum diameter of the particles 32 to 95%, called D95, is less than 40 ⁇ and less than one third of the diameter of the core 30.
  • the diameter D95 is such that 95% by volume of the particles 32 of the wire 10 have a diameter less than D95. In other words, only 5%, by volume, of the particles 32 of the wire 10 have a diameter greater than D95.
  • the diameter D5 is a value such that only 5%, by volume, of the particles 32 of the wire 10 have a diameter less than D5. In other words, 95%, by volume, of the particles 32 of the wire 10 have a diameter greater than D5.
  • the diameter of the particles 32 is measured by Coulter counter. The measurement method is described in ISO 13319: 2000 "Determination of particle size distribution - Electrical sensing zone method" or the revised ISO 13319: 2007 standard.
  • abrasive particles To separate the abrasive particles from the yarn, it is immersed in an aqueous solution containing nitric acid. The metals of the core and the binder are dissolved, while the abrasive, insoluble particles are released. They are then extracted and rinsed before measuring their particle size. The indicated diameter corresponds to the diameter of the sphere which would behave identically during Coulter counter particle size analysis.
  • the diameter D95 is less than 30 ⁇ or 25 ⁇ .
  • the diameter D5 is greater than 8 ⁇ and the diameter D95 is less than or equal to 25 ⁇ or 30 ⁇ .
  • the diameter D5 is equal to 12 ⁇ , and the diameter D95 is equal to 25 ⁇ .
  • the abrasive particle density of the wire 10 is here expressed as the number of abrasive particles per millimeter of wire. This density of abrasive particles is measured according to the following method:
  • a section of the sample of length L is selected where L is greater than or equal to 0.9 mm and generally less than or equal to 1 cm or 10 cm.
  • the number of abrasive particles 32 visible on the front side of this selected section is counted.
  • these abrasive particles visible on both sides only increment the counter. of 0.5 whereas the abrasive particles visible only on the front side increment the same counter of 1.
  • two abrasive particles 32A visible on both sides are illustrated. During this count, an agglomerate or a cluster of several abrasive particles is counted for only one.
  • FIG. 3 such an agglomerate 32B of abrasive particles is illustrated.
  • the layers of binder covering the different abrasive particles 32 are directly in mechanical contact with each other and the assembly thus forms only one abrasive particle.
  • the density of abrasive particles for this sample is then obtained by dividing the cumulative number of abrasive particles counted on the front and back sides by the length L of the selected section, expressed in mm.
  • the abrasive particle density of the wire 10 is taken as the average of the abrasive particle densities measured on each of the samples.
  • the particle density 32 of the wire 10 is less than 31 abrasive particles per millimeter or 25 abrasive particles per millimeter.
  • the density of particles 32 is greater than one abrasive particle per millimeter.
  • this abrasive particle density is between five abrasive particles per millimeter and twenty five or thirty-one abrasive particles per millimeter.
  • this density is between twenty abrasive particles per millimeter and twenty-five or thirty-one abrasive particles per millimeter.
  • Industrial cutting devices typically require at least 1 km of abrasive wire and often at least 2 km of abrasive wire.
  • the particle density 32 of the wire 10 is maintained in the density ranges given above over a continuous useful section of the wire 10 of at least 1 km or 2 km long.
  • the density of particles 32 is constant to plus or minus 5% or 10%.
  • this useful section preferably represents at least 50% or 80% or 90% of the total length of the wire 10.
  • the binder 34 serves to maintain the abrasive particles 32 fixed without any degree of freedom on the core 30.
  • the binder 34 is a metal binder because these binders are harder than resins and can therefore maintain more effective abrasive particles on the core 30.
  • the hardness of the binder 32 is greater than 450 Hv or 500 Hv on the Vickers scale.
  • the binder is an alloy of nickel and cobalt such as that described in FR3005592. By For example, it comprises from 20% to 40% by weight of cobalt.
  • the binder 34 comprises 70% nickel and 30% cobalt, these percentages being given relative to the weight of the binder.
  • the hardness of the binder 32 is then equal to 650 Hv on the Vickers scale within plus or minus 10%.
  • the hardness of the binder is measured by instrumented nano-indentation, following the recommendations of standards IS014577-1: 2002 and IS014577-4: 2007.
  • these standards can not be rigorously followed because the imprints are usually too close to the edges of the binder.
  • the hardness obtained is then expressed in GPa.
  • This GPa value is converted to Vickers hardness by applying the Oliver and Pharr model to the load and discharge curves found. That is why the load in gram strength is not given in the expression of Vickers hardness.
  • a Berkovich indenter, a force of 10 mN, and a time of 15 seconds were employed.
  • the thickness of the binder 34 is chosen to have an exposure of the abrasive particles between Emin and Emax, where Emin is strictly less than Emax.
  • the thickness of the binder 34 is between Tbo_min and Tbo_max.
  • Emin is greater than or equal to 50% and preferably 65% and Emax is less than or equal to 90%.
  • Tco is the shortest distance between the top of the particle 32 furthest from the surface of the core 30 and the projection, in a radial direction, of this vertex on the surface of the core 30, and
  • - Tbo is the thickness of the binder 34.
  • the minimum exposure Emin of the particles 32 is calculated by considering that Tco is equal to the diameter D5 and that the thickness of the binder 34 is maximum, that is to say equal to Tbo_max.
  • the maximum exposure Emax of the particles 34 is calculated considering that Tco is equal to the diameter D95 and that the thickness of the binder 34 is minimal, that is to say equal to Tbo_min.
  • the thickness of the binder 34 is chosen between Tbo_min and Tbo_max.
  • the thickness of the binder is chosen between 1.6 ⁇ and 4 ⁇ to obtain an average exposure of between 50% and 90%.
  • the thickness of the binder 34 is chosen between 2.5 ⁇ and 4.5 ⁇ to obtain an average exposure of between 60% and 90%.
  • the thickness of the binder 34 is always chosen equal to 4 ⁇ .
  • the thickness of the binder means its average thickness between the particles 32.
  • the wire 10 is cut transversely in at least four different locations along its length. Four cross sections of the wire 10 similar to that shown in FIG. 2 are thus obtained. On each of these sections, the thickness of the binder 34 is measured in at least four points. The measurement points are located between the particles 32. Preferably, these measurement points are uniformly distributed over the periphery of the cross section. For example, at each measurement point, the thickness is measured using an electron microscope. Indeed, the boundary between the core 30 and the binder 34 is visible on these sections. Then, the thickness of the binder 34 is taken equal to the average of all the measurements obtained on each of the cross sections.
  • the binder 34 is deposited in two successive layers 36 and 38 by electrolysis.
  • the thickness of the layer 36 is small. It is for example less than one third of the median diameter of the abrasive particles. This layer 36 just makes it possible to weakly fix the particles 32 on the central core.
  • the layer 38 has a greater thickness.
  • the thickness of the layer 38, in the radial direction is 1.5 or twice the thickness of the layer 36.
  • This layer 38 prevents tearing abrasive particles 32 when the wire 10 is used to cut the ingot 4.
  • the wire 10 is for example manufactured as described in the application FR2988629.
  • a step 50 the motors 18 and 20 are controlled to unwind a length L1 of wire 10 of the coil 14 and, at the same time, wound a length L1 of wire 10 around the coil 16.
  • the wire 10 then moves in the X direction.
  • a step 52 once a length Ll of the wire 10 has been unwound from the coil 14, the control of the motors 18 and 20 is reversed for this time unwind a length L2 of wire 10 of the coil 16 and, at the same time, wound this length L2 of wire 10 around the coil 14.
  • the wire 10 moves in the direction opposite to the direction X.
  • step 52 stops and the process returns to step 50.
  • the length L2 is shorter than the length L1 so that at each execution of the step 50, a length Ll-L2 of new wire is injected between the two coils 14 and 16.
  • the difference between L2 and L1 is less than 2% or 1.5% of the length of the wire 10.
  • this difference is equal to 1% of the length of the wire 10 to within plus or minus 10%.
  • the wire 10 rubs on the ingot 4, which leads little by little to dig, by abrasion, a kerf in the upper face of the ingot.
  • the actuator 12 advances the ingot 4 in the direction Z to maintain a good mechanical contact between the ingot 4 and the wire 10.
  • the mechanisms 22 and 24 enslave the mechanical tension of the wire 10 on a CT mechanical tension setpoint.
  • this set point CT is chosen so that the tension of the thread 10 on the reels 14 and 16 is less than or equal to half of the maximum tension before breaking supported by this thread 10.
  • the maximum tension before rupture is 43 N to plus or minus 15%.
  • the mechanical voltage setpoint is therefore chosen to be less than 21.5 N. This makes it possible to increase the life of the wire 10.
  • the lubricant used to evacuate the silicon grains torn by the wire 10 is pure water.
  • the ingot 4 is a parallelepiped of monocrystalline silicon whose cross section is a square of 156 mm side.
  • the spacing between the axes of two successive parallel sections of the wire 10 in the cutting area is 700 ⁇ . This allows cutting slices of about 550 ⁇ thick.
  • the tension of the thread 10 in the cutting zone is set to 15 Newton.
  • the vertical displacement speed of the ingot 4 is 0.75 mm / min, which corresponds, in steady state, to the cutting speed.
  • the lengths L1 and L2 are equal, respectively, to 116.6 m and 115.4 m.
  • the speed of movement of the wire 10 during steps 50 and 52 is 500 m / min.
  • TTV Total Thickness Variation
  • the variation of the thickness of a slice is measured as follows: 1) The thickness of the cut slice is measured at thirteen different points. The position of each of the measuring points is represented by a black dot in FIG.
  • the thickness variation of a slice is taken as the difference between the largest and the smallest of the thicknesses measured on this slice during step 1).
  • the arrow is the distance between:
  • This arrow is representative of the cutting power K of the wire. It is even smaller than the cutting power of the wire is high.
  • F is the force applied by the wire perpendicular to the surface of the sawn material
  • - V is the speed of the wire.
  • V z is the vertical cutting speed of the ingot 4,
  • the speed V z is, in steady state, approximately equal to the speed of displacement of the ingot 4 in the Z direction, that is to say here equal to 0.75 mm / min.
  • the first test was performed with a wire, noted "Reference" in Table No. 1 below.
  • This yarn is the yarn marketed by ASAHI under the reference ECO MEP® 120 10-20HC.
  • the diameter of its central core is equal to 120 ⁇ .
  • the abrasive particles are diamonds with a size distribution such that the diameters D5 and D95 are equal, respectively, to 10 ⁇ and 20 ⁇ .
  • the binder is nickel and its hardness is about 430 Hv on the Vickers scale.
  • the thickness of the binder is 4 ⁇ .
  • the density of abrasive particles is 56 abrasive particles per millimeter.
  • the abrasive particles are RB diamonds with a size distribution such that the diameter D5 is equal to 10 ⁇ and the diameter D95 is equal to 22 ⁇ , and
  • the abrasive particle density is 92 abrasive particles per millimeter for the second test and 21 abrasive particles per millimeter for the third test.
  • this wire is noted "RB 12-22".
  • the fourth to the tenth tests were carried out with a wire identical to the wire 10 and gradually decreasing the abrasive particle density of 41 abrasive particles per millimeter up to five abrasive particles per millimeter.
  • these seven abrasive threads are referred to as "HYP 12-25" and only the column which contains the number of abrasive particles per millimeter makes it possible to distinguish them from each other.
  • Table No. 1 summarizes the experimental results obtained during these nine tests. It is noted that a sharp decrease in the thickness variation of the cut slices occurs as soon as the density of the abrasive particles is less than 31 abrasive particles per millimeter and, preferably, less than 25 abrasive particles per millimeter. It is also noted that the decrease in thickness variations of the cut slices is obtained without substantially modifying the cutting power K of the wire.
  • binders may be used to make the abrasive wire.
  • binders in which the following materials or an alloy of the following materials constitutes at least 90% by weight of the weight of the binder: nickel, iron and cobalt.
  • Other examples of possible binders are described in application FR 3005592 or FR 3005593.
  • the binder 34 may be deposited in a single layer or in two or more layers.
  • the core 30 may be formed of several strands intertwined with each other. Similarly, the core 30 can be made of other materials than steels. For example, the core 30 can also be made of a diamagnetic or paramagnetic material.
  • abrasive particles may be made of other materials than diamond.
  • they can also be made of SiC, SiO 2 , WC, Si 3 N 4 , boron nitride, CrO 2 , or aluminum oxide.
  • the abrasive particles may also be coated with a coating as described in WO2013149965A.
  • Monocrystalline diamonds such as MB diamonds are also usable.

Landscapes

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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

Ce fil abrasif comporte; des particules abrasives (32) dont le diamètre minimal à 5 %, noté D5, est supérieur ou égal à 5 μίτι et dont le diamètre maximal à 95 %, noté D95, est inférieur à 40 μίτι, un liant (34) qui maintient mécaniquement les particules abrasives sur une âme centrale, l'épaisseur de ce liant étant comprise entre Tbo_min et Tbo_max, où Tbo_min et Tbo_max sont donnés par les relations suivantes Tbo_max = D5 x (1 - Emin/100) et Tbo_min = D95 x (1 - Emax/100), où Emin et Emax sont respectivement, supérieur à 50 % et inférieur à 90 %. La dureté du liant (34) est supérieure à 450 Hv sur l'échelle de Vickers et le nombre de particules abrasives (32) par millimètre de fil est inférieur à 31 et supérieur à un sur au moins 1 km de la longueur du fil.

Description

FIL ABRASIF POUR LA DÉCOUPE DE TRANCHES DANS UN LINGOT EN
MATÉRIAU DUR
[001] L'invention concerne un fil abrasif pour la découpe de tranches dans un lingot en matériau dur. Elle a également pour objet un procédé de découpe de tranches dans un lingot en matériau dur.
[002] Dans cette description, on considère qu'un matériau est dur si sa microdureté sur l'échelle de Vickers est supérieure à 400 Hv ou supérieur ou égale à 4 sur l'échelle de Mohs. Dans le cas du lingot, les microduretés Vickers sont exprimées pour une charge de 50 gramme force, c'est-à-dire pour une force de 0.49N. Pour les autres éléments, l'homme du métier sait qu'il faut ajuster la charge en fonction de l'épaisseur du matériau sur lequel les mesures sont réalisées pour que la taille de l'empreinte Vickers soit inférieure à l'épaisseur du matériau.
[003] Des fils abrasifs connus pour la découpe de tranches d'un lingot en matériau dur comportent :
- une âme centrale dont le diamètre est compris entre 0,05 mm et 0,15 mm,
- des particules abrasives dont le diamètre minimal des particules abrasives à 5 %, noté D5, est supérieur ou égal à 5 μίτι et dont le diamètre maximal des particules abrasives à 95 %, noté D95, est inférieur à 40 μίτι, le diamètre D5 signifiant que seuls 5 %, en volume, des particules abrasives ont un diamètre inférieur à ce diamètre D5, et le diamètre D95 signifiant que 95 %, en volume, des particules abrasives ont un diamètre inférieur au diamètre D95, le diamètre d'une particule abrasive étant mesuré par compteur Coulter et correspondant au diamètre de la sphère qui aurait le même volume que la particule abrasive,
- un liant qui maintient mécaniquement les particules abrasives sur l'âme centrale, l'épaisseur de ce liant étant comprise entre Tbo_min et Tbo_max, où Tbo_min et Tbo_max sont donnés par les relations suivantes Tbo_max = D5 x (1 - Emin/100) et Tbo_min = D95 x (1 - Emax/100), où Emin et Emax sont respectivement, supérieur à 50 % et inférieur à 90 %.
[004] Par exemple de l'état de la technique est connu de :
- WO2014/184456A1,
- WO2014/004991A1,
- WO2011/014884A1.
[005] Un des critères importants pour juger des performances des fils abrasifs est la précision de découpe des tranches. La précision de découpe des tranches est l'inverse de la variation maximale de l'épaisseur de la tranche découpée. Autrement dit, plus la tranche découpée présente une faible variation d'épaisseur, plus le fil abrasif est considéré comme précis. [006] L'invention vise à proposer un fil de découpe plus précis. Elle a donc pour objet un fil de découpe conforme à la revendication 1.
[007] Les déposants ont découvert que la combinaison des différentes caractéristiques du fil abrasif revendiqué permettait de diminuer d'au moins 10 %, et typiquement de plus de 20 %, les variations d'épaisseur des tranches découpées avec un tel fil. Ce résultat est d'autant plus surprenant qu'il va à l'encontre de l'enseignement de l'état de la technique. Par exemple, les résultats expérimentaux de la table 8 de la demande WO2014/004991A1 montrent que la variation totale d'épaisseur (TTV) la plus mauvaise est obtenue avec la plus faible concentration de particules abrasives par millimètre (voir paragraphe 306, 310 de WO2014/004991A1). Par ailleurs, ce même document indique explicitement que la concentration en particules abrasives n'a pas beaucoup d'influence sur la variation totale d'épaisseur mais qu'une augmentation de la concentration en particules abrasives améliore la durée de vie du fil de découpe (paragraphe 309).
[008] Actuellement, le déposant estime que la diminution des variations d'épaisseur des tranches provient du fait que le pouvoir de coupe du fil revendiqué reste sensiblement constant sur toute sa longueur lors de son utilisation dans une machine de découpe. Cette constance du pouvoir de coupe de ce fil semble, en l'état actuel des connaissances des inventeurs, pouvoir s'expliquer par la combinaison de deux phénomènes complémentaires.
[009] D'une part, l'utilisation d'un liant plus dur que ceux habituellement utilisés limite l'arrachage des particules abrasives lorsqu'elles frottent sur le lingot.
[0010] D'autre part, dans les machines de coupe, le fil abrasif est déplacé en alternance dans un sens, puis dans le sens opposé de manière à obtenir un mouvement de va-et-vient. Pour cela, le fil est bobiné et, en alternance, débobiné d'une bobine de dévidage. Sur la bobine de dévidage, les spires du fil abrasif frottent les unes contre les autres, ce qui use significativement le fil. En effet, chaque spire du fil abrasif frotte directement contre les particules abrasives des autres spires voisines. En limitant le nombre de particules abrasives par millimètre, on limite ce frottement des spires sur les particules abrasives des spires voisines puisque celles-ci comportent moins de particules abrasives. Dès lors, cela peut expliquer que diminuer le nombre de particules abrasives par millimètre permet de maintenir un pouvoir de coupe constant pendant une durée plus longue.
[0011] Les modes de réalisation de ce fil abrasif peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes.
[0012] Ces modes de réalisation du fil abrasif présentent en outre les avantages suivants :
- Utiliser moins de vingt-cinq particules abrasives par millimètre permet de diminuer encore plus la variation d'épaisseur des tranches découpées et d'augmenter l'épaisseur moyenne des tranches obtenues pour le même espacement entre les sections parallèles du fil qui découpent le lingot.
- Utiliser un liant dont la dureté est supérieure à 500 Hv sur l'échelle de Vickers permet de diminuer encore plus les variations d'épaisseur des tranches découpées. - Utiliser des particules abrasives pour lesquelles le diamètre D95 est inférieur à 25 μίτι permet de diminuer encore plus les variations d'épaisseur des tranches découpées.
- Utiliser des diamants multi-cristallins permet d'améliorer le pouvoir de coupe du fil et de réduire encore plus les variations d'épaisseur des tranches découpées.
[0013] L'invention a également pour objet un procédé de découpe de tranches à l'aide du fil abrasif de découpe revendiqué.
[0014] Les modes de réalisation de ce procédé peuvent comporter la caractéristique de la revendication dépendante.
[0015] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique d'une machine de découpe de tranches dans un lingot en matériau dur ;
- la figure 2 est une illustration schématique d'une section transversale d'un fil abrasif de découpe utilisé dans la machine de la figure 1 ;
- la figure 3 est une illustration schématique et de côté d'une portion du fil abrasif de découpe de la figure 2 ;
- la figure 4 est un organigramme d'un procédé de découpe de tranches dans un lingot en matériau dur à l'aide de la machine de la figure 1 ;
- la figure 5 est une illustration schématique en vue de dessus d'une tranche découpée à l'aide de la machine de la figure 1.
[0016] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
[0017] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0018] La figure 1 représente une machine 2 de découpe d'un lingot 4 en fines tranches. Le lingot 4 est un bloc, typiquement parallélépipédique, d'un matériau dur.
Par exemple, le matériau dur est du silicium monocristallin ou polycristallin ou encore du saphir ou du carbure de silicium. Ici, le lingot 4 est un bloc de silicium monocristallin. Ce lingot 4 s'étend parallèlement à une direction horizontale Y. La figure 1 est orientée par rapport à un repère orthogonal XYZ, où X et Y sont des directions horizontales et Z est la direction verticale.
[0019] Par fine tranche, on désigne typiquement une tranche dont l'épaisseur est inférieure à 5 mm et, généralement, inférieure à 1 mm. Ces tranches sont plus connues sous le terme anglais de « Wafer ». [0020] Les machines de découpe de telles tranches sont bien connues et seuls les détails nécessaires à la compréhension de l'invention sont donnés ici. Par exemple, pour plus d'informations sur une telle machine, le lecteur peut se référer à la demande US20120298091.
[0021] La machine 2 comporte :
- un fil abrasif 10 qui frotte sur une partie supérieure du lingot 4,
- un actionneur 12 qui déplace verticalement le lingot 4 au fur et à mesure que le fil 10 découpe ce lingot 4,
- des bobines 14 et 16 sur lesquelles s'enroule et se déroule le fil 10, et
- des moteurs 18 et 20 pour entraîner en rotation, respectivement, les bobines 14 et 16.
[0022] Le fil 10 est destiné à découper le lingot 4 par frottement ou abrasion. La structure du fil 10 est décrite plus en détail en référence aux figures 2 et 3. La longueur de ce fil 10 est généralement supérieure à 100 m ou 1000 m et, habituellement, inférieure à 100 km. Dans la zone de découpe du lingot 4, le fil 10 est entouré autour de guide-fils, non représentés sur la figure 1, de manière à obtenir plusieurs sections du fil 10 parallèles les unes aux autres et qui frottent en même temps sur le lingot 4. L'espace entre deux sections parallèles successives du fil 10 dans la direction Y définit alors l'épaisseur de la tranche découpée.
[0023] Les moteurs 18 et 20 entraînent les bobines 14 et 16 en rotation tantôt dans un sens, tantôt dans le sens opposé, de sorte que le fil 10 est animé d'un mouvement de va-et-vient. Chaque bobine 14, 16 comporte généralement plusieurs spires du fil 10 directement empilées les unes sur les autres le long de la direction radiale de cette bobine.
[0024] Le fil 10 est tendu mécaniquement entre les bobines 14 et 16. Ici, la machine 2 comporte en plus des mécanismes 22 et 24 pour ajuster la tension du fil 10. Par exemple, ces mécanismes 22 et 24 permettent d'ajuster la tension du fil 10 enroulé sur les bobines 14 et 16. Ces mécanismes 22 et 24 sont par exemple identiques à ceux décrits dans la demande US20120298091.
[0025] Les figures 2 et 3 représentent plus en détail le fil 10. Il comporte une âme centrale 30 sur la périphérie de laquelle sont fixées des particules abrasives 32 maintenues sur l'âme centrale par un liant 34.
[0026] Typiquement, l'âme centrale 30 se présente sous la forme d'un fil simple présentant une résistance à la traction supérieure à 2 000 MPa ou 3 000 MPa et, généralement, inférieure à 5 000 MPa. L'allongement à la rupture de l'âme 30 est supérieur à 1 % et, de préférence, supérieur à 2 %. A l'inverse, l'allongement à la rupture de l'âme 30 ne doit pas être trop important et, par exemple, doit rester en dessous de 10 % ou 5 %. L'allongement à la rupture représente ici l'augmentation de la longueur de l'âme 30 avant que celle-ci ne se rompe. [0027] Dans ce mode de réalisation, l'âme 30 a une section transversale circulaire. Par exemple, le diamètre de l'âme 30 est compris entre 50 μίτι et 150 μίτι et, souvent, compris entre 70 μίτι et 150 μίτι. Dans cet exemple, le diamètre de l'âme 30 est égal à 120 μίτι. Ici, l'âme 30 est réalisée dans un matériau électriquement conducteur. On considère qu'un matériau est électriquement conducteur si sa résistivité est inférieure à ÎO 5 Q.m à 20°C. Par exemple, l'âme 30 est réalisée en acier, tel qu'un acier au carbone ou un acier inoxydable ferritique ou un acier laitonné. Dans cet exemple, l'âme 30 est en acier à 0,8 % en masse de carbone. La masse linéique m de l'âme 4 est, par exemple, comprise entre 10mg/m et 500mg/m et, de préférence, entre 50mg/m et 200mg/m.
[0028] Les particules abrasives 32 forment des dents à la surface de l'âme 30 qui vont venir éroder le matériau à découper. Ces particules abrasives doivent donc être plus dures que le matériau à découper. Typiquement, les particules abrasives présentent une dureté supérieure d'au moins 30 Hv ou 100 Hv à celle du lingot à découper. A cet effet, chaque particule abrasive est formée d'un matériau dont la dureté est supérieure à 430 Hv sur l'échelle de Vickers et, de préférence, supérieure ou égale à 1 000 Hv. Sur l'échelle de Mohs, la dureté de ce matériau est supérieure à 7 ou 8. Typiquement, ce matériau représente plus de 80 % ou 90 % du volume de la particule abrasive. Par exemple, les particules 32 sont des diamants. De préférence, ces diamants sont des diamants multicristallins souvent désignés sous l'acronyme « diamants RB (« Resin Bond ») » ou des diamants monocristallins dits « Hyperion » tels que ceux décrits dans la demande WO2011014884 et vendus par la société Sandvik Hyperion®. La dureté d'une particule abrasive peut être estimée à partir de leur composition chimique, et de leur structure cristalline, et en fonction des données publiées sur les duretés des différents minéraux.
[0029] Dans ce mode de réalisation, les particules 32 sont des diamants Hyperion. Ces diamants Hyperion présentent les caractéristiques suivantes :
- ils sont monocristallins
- leur rugosité de surface est comprise entre 0,6 et 0,8, et
- leur sphéricité est comprise entre 0,25 et 0,5.
[0030] La rugosité de surface et la sphéricité sont définies dans la demande WO2011014884. On rappelle simplement ici que la rugosité de surface est une mesure, dans une image à deux dimensions, de la quantité de trous et de pics sur les arêtes d'un objet ou sur les bord de cet objet comme indiqué par l'analyseur d'image CLEMEX (Clemex Vision User's Guide PE 3.5 ©2001). La rugosité de surface est déterminée par le rapport entre le périmètre convexe sur périmètre réel. La sphéricité est la surface, dans une image à deux dimensions, de l'objet sur son périmètre au carré. A cause de ces propriétés, les diamants Hyperion présentent une plus grande surface spécifique que les diamants RB. La surface spécifique est égal à la somme des surfaces externes des diamants divisée par la somme des masses de ces diamants pour un même lot.
[0031] Les tailles des particules 32 sont distribuées selon une loi de probabilité. Ici, la distribution des tailles des particules 32 est telle que :
- le diamètre minimal des particules 32 à 5 %, appelé D5, est supérieur à 5 μίτι, et
- le diamètre maximal des particules 32 à 95 %, appelé D95, est inférieur à 40 μίτι et inférieur au tiers du diamètre de l'âme 30.
[0032] Le diamètre D95 est une valeur telle que 95 %, en volume, des particules 32 du fil 10 ont un diamètre inférieur à D95. En d'autre terme, seul 5 %, en volume, des particules 32 du fil 10 ont un diamètre supérieur à D95. Le diamètre D5 est une valeur telle que seul 5 %, en volume, des particules 32 du fil 10 ont un diamètre inférieur à D5. En d'autre terme, 95 %, en volume, des particules 32 du fil 10 ont un diamètre supérieur à D5. Le diamètre des particules 32 est mesuré par compteur Coulter. La méthode de mesure est décrite dans le standard ISO 13319 :2000 « Détermination of particle size distribution - Electrical sensing zone method » ou le standard révisé ISO 13319:2007. Pour séparer les particules abrasives du fil, on plonge celui-ci dans une solution aqueuse contenant de l'acide nitrique. Les métaux de l'âme et du liant sont dissous, tandis que les particules abrasives, insolubles, sont libérées. Elles sont ensuite extraites et rincées, avant la mesure de leur granulométrie. Le diamètre indiqué correspond au diamètre de la sphère qui se comporterait de façon identique lors de l'analyse granulométrique par compteur Coulter.
[0033] De préférence, le diamètre D95 est inférieur à 30 μίτι ou 25 μίτι. Par exemple, avantageusement, le diamètre D5 est supérieur à 8 μι et le diamètre D95 est inférieur ou égal à 25 μίτι ou 30 μίτι. Ici, le diamètre D5 est égal à 12 μίτι, et le diamètre D95 est égal à 25 μίτι.
[0034] La densité de particules abrasives du fil 10 est ici exprimée en nombre de particules abrasives par millimètre de fil. Cette densité de particules abrasives est mesurée selon la méthode suivante :
1) On prélève au moins quatre échantillons de plus de 1 mm de longueur du fil 10. Ces échantillons sont prélevés sur une section utile du fil utilisée pour découper le lingot 4 et, de préférence, prélevés à des endroits uniformément répartis sur cette section utile.
2) Chaque échantillon est inséré dans un support qui permet à la fois :
- de tenir l'échantillon en exposant un côté avant de cet échantillon à un dispositif d'observation tel qu'un microscope électronique ou optique, et
- de faire pivoter l'échantillon de 180° autour de son axe longitudinal afin d'observer le côté arrière de l'échantillon qui était jusqu'à présent caché.
3) Une section de l'échantillon de longueur L est sélectionnée, où L est une longueur supérieure ou égale à 0,9 mm et généralement inférieure ou égale à 1 cm ou 10 cm. Ensuite, le nombre de particules abrasives 32 visibles sur le côté avant de cette section sélectionnée est compté. Pour ne pas compter deux fois les particules abrasives qui sont visibles sur les deux côtés, c'est-à-dire ceux dont l'image dépasse du bord de l'échantillon, ces particules abrasives visibles des deux côtés n'incrémentent le compteur que de 0,5 alors que les particules abrasives visibles seulement sur le côté avant incrémentent ce même compteur de 1. Sur la figure 3, deux particules abrasives 32A visibles des deux côtés sont illustrées. Lors de ce comptage, un agglomérat ou un amas de plusieurs particules abrasives est compté pour un seulement. Sur la figure 3, un tel agglomérat 32B de particules abrasives est illustré. Dans un tel agglomérat, les couches de liant recouvrant les différentes particules abrasives 32 sont directement en contact mécanique les unes avec les autres et l'ensemble ne forme donc qu'une seule particule abrasive.
4) On dénombre le nombre de diamants dans la section sélectionnée mais cette fois ci sur le côté arrière. Pour cela, on procède de la même façon qu'au point 3) pour le côté arrière de l'échantillon après avoir fait pivoter cet échantillon de 180° autour de son axe longitudinal.
5) La densité de particules abrasives pour cet échantillon est alors obtenue en divisant le cumul du nombre de particules abrasives compté sur les côtés avant et arrière par la longueur L de la section sélectionnée, exprimée en mm.
6) La densité de particules abrasives du fil 10 est prise égale à la moyenne des densités de particules abrasives mesurées sur chacun des échantillons.
[0035] La densité de particules 32 du fil 10 est inférieure à 31 particules abrasives par millimètre ou à 25 particules abrasives par millimètre. La densité de particules 32 est supérieure à une particule abrasive par millimètre. De préférence, cette densité de particules abrasives est comprise entre cinq particules abrasives par millimètre et vingt-cinq ou trente-et-une particules abrasives par millimètre. Avantageusement, cette densité est comprise entre vingt particules abrasives par millimètre et vingt-cinq ou trente-et-une particules abrasives par millimètre. Les dispositifs de découpe industrielle nécessitent typiquement au moins 1 km de fil abrasif et, souvent, au moins de 2 km de fil abrasif. Par conséquent, la densité de particules 32 du fil 10 est maintenue dans les plages de densités données ci-dessus sur une section utile continue du fil 10 d'au moins 1 km ou 2 km de long. Typiquement, sur cette section utile du fil 10, la densité de particules 32 est constante à plus ou moins 5 % près ou 10 % près. Par ailleurs, de préférence, cette section utile représente au moins 50 % ou 80 % ou 90 % de la longueur totale du fil 10.
[0036] Le liant 34 a pour fonction de maintenir les particules abrasives 32 fixées sans aucun degré de liberté sur l'âme 30. Le liant 34 est un liant métallique car ces liants sont plus durs que des résines et permettent donc de maintenir de façon plus efficace les particules abrasives sur l'âme 30. Ainsi, la dureté du liant 32 est supérieure à 450 Hv ou 500 Hv sur l'échelle de Vickers. A cet effet, ici, le liant est un alliage de nickel et de cobalt tel que celui décrit dans la demande FR3005592. Par exemple, il comprend de 20 % à 40 % en masse de Cobalt. Dans cet exemple, le liant 34 comprend 70 % de nickel et 30 % de cobalt, ces pourcentages étant donnés par rapport à la masse du liant. La dureté du liant 32 est alors égale à 650 Hv sur l'échelle de Vickers à plus ou moins 10 % près.
[0037] Par exemple, en pratique, on mesure la dureté du liant par nano-indentation instrumentée, en suivant les préconisations des normes IS014577-1 :2002 et IS014577-4 :2007. Toutefois, ces normes ne peuvent pas être rigoureusement suivies, car les empreintes se situent généralement trop près des bords du liant. La dureté obtenue est alors exprimée en GPa. Cette valeur en GPa est convertie en dureté Vickers en appliquant le modèle d'Oliver et Pharr aux courbes de charge et de décharge relevées. C'est pour cela que la charge en gramme force n'est pas donnée dans l'expression de la dureté Vickers. Ici, pour la mesure par nano-indentation, on a employé un pénétrateur Berkovich, une force de 10 mN, et un temps de 15 secondes.
[0038] L'épaisseur du liant 34 est choisie pour avoir une exposition des particules abrasives comprise entre Emin et Emax, où Emin est strictement inférieur à Emax. A cet effet, l'épaisseur du liant 34 est comprise entre Tbo_min et Tbo_max. Ici, Emin est supérieur ou égal à 50 % et, de préférence, à 65 % et Emax est inférieur ou égal à 90 %. Le calcul de l'exposition E d'une particule abrasive est décrit dans la demande WO2011014884 en référence à la figure 3b. On rappelle ici que l'exposition E d'une particule est donnée par la relation suivante : E = 100*(Tco - Tbo)/Tco, où :
- Tco est la distance la plus courte entre le sommet de la particule 32 le plus éloigné de la surface de l'âme 30 et la projection, selon une direction radiale, de ce sommet sur la surface de l'âme 30, et
- Tbo est l'épaisseur du liant 34.
[0039] Ici, l'exposition minimale Emin des particules 32 est calculée en considérant que Tco est égal au diamètre D5 et que l'épaisseur du liant 34 est maximale, c'est-à- dire égale à Tbo_max. L'épaisseur maximale Tbo_max du liant 34 qui permet de respecter l'exposition minimale Emin est donc donnée par la relation suivante : Tbo_max = D5*(l - Emin/100). De façon similaire, l'exposition maximale Emax des particules 34 est calculée en considérant que Tco est égal au diamètre D95 et que l'épaisseur du liant 34 est minimale, c'est-à-dire égale à Tbo_min. L'épaisseur minimale de liant 34 qui permet de respecter l'exposition maximale Emax est alors donnée par la relation suivante : Tbo_min = D95*(l - Emax/100). L'épaisseur du liant 34 est choisie entre Tbo_min et Tbo_max. Ainsi, pour des particules abrasives de diamètres D5 et D95 égaux, respectivement, à 8 μίτι et 16 μίτι, l'épaisseur du liant est choisie entre 1,6 μίτι et 4 μίτι pour obtenir un exposition moyenne comprise entre 50 % et 90 %. Pour des particules 32 dont les diamètres D5 et D95 sont égaux, respectivement, à 12 μίτι et 25 μίτι, l'épaisseur du liant 34 est choisie entre 2,5 μίτι et 4,5 μίτι pour obtenir une exposition moyenne comprise entre 60 % et 90 %. Pour les essais réalisés plus loin, l'épaisseur du liant 34 est toujours choisie égale à 4 μίτι. [0040] Par l'épaisseur du liant, on désigne son épaisseur moyenne entre les particules 32. Par exemple, pour mesurer l'épaisseur du liant 34, le fil 10 est coupé transversalement en au moins quatre endroits différents répartis sur sa longueur. On obtient ainsi quatre coupes transversales du fil 10 similaires à celle représentée sur la figure 2. Sur chacune de ces coupes, l'épaisseur de liant 34 est mesurée en au moins quatre points. Les points de mesure sont situés entre les particules 32. De préférence, ces points de mesure sont uniformément répartis sur la périphérie de la coupe transversale. Par exemple, en chaque point de mesure, l'épaisseur est mesurée à l'aide d'un microscope électronique. En effet, la limite entre l'âme 30 et le liant 34 est visible sur ces coupes. Ensuite, l'épaisseur du liant 34 est prise égale à la moyenne de toutes les mesures obtenues sur chacune des coupes transversales.
[0041] Dans ce mode de réalisation, le liant 34 est déposé en deux couches successives 36 et 38 par électrolyse. L'épaisseur de la couche 36 est faible. Elle est par exemple inférieure au tiers du diamètre médian des particules abrasives. Cette couche 36 permet juste de fixer faiblement les particules 32 sur l'âme centrale.
[0042] La couche 38 a une épaisseur plus importante. Par exemple, l'épaisseur de la couche 38, dans la direction radiale, est 1,5 ou deux fois supérieure à l'épaisseur de la couche 36.
[0043] Cette couche 38 permet d'empêcher l'arrachement des particules abrasives 32 lorsque le fil 10 est utilisé pour découper le lingot 4.
[0044] Le fil 10 est par exemple fabriqué comme décrit dans la demande FR2988629.
[0045] Le procédé de découpe du lingot 4 à l'aide de la machine 2 va maintenant être décrit en référence au procédé de la figure 4.
[0046] Initialement, l'essentiel du fil 10 est bobiné sur la bobine 14.
[0047] Lors d'une étape 50, les moteurs 18 et 20 sont commandés pour dérouler une longueur Ll de fil 10 de la bobine 14 et, en même temps, enroulés une longueur Ll de fil 10 autour de la bobine 16. Le fil 10 se déplace alors dans la direction X.
[0048] Lors d'une étape 52, une fois qu'une longueur Ll du fil 10 a été déroulée de la bobine 14, la commande des moteurs 18 et 20 est inversée pour cette fois-ci dérouler une longueur L2 de fil 10 de la bobine 16 et, en même temps, enroulée cette longueur L2 de fil 10 autour de la bobine 14. Ainsi pendant l'étape 52, le fil 10 se déplace dans la direction opposée à la direction X.
[0049] Quand la longueur L2 de fil 10 a été enroulée sur la bobine 14, l'étape 52 s'interrompt et le procédé retourne à l'étape 50.
[0050] Généralement, la longueur L2 est plus courte que la longueur Ll de sorte qu'à chaque exécution de l'étape 50, une longueur Ll- L2 de fil neuf est injectée entre les deux bobines 14 et 16. Typiquement, l'écart entre L2 et Ll est inférieur à 2% ou 1,5 % de la longueur du fil 10. Ici, cet écart est égal à 1 % de la longueur du fil 10 à plus ou moins 10 % près. [0051] Lors de chaque exécution des étapes 50 et 52, le fil 10 frotte sur le lingot 4, ce qui conduit petit à petit à creuser, par abrasion, un trait de scie dans la face supérieure de ce lingot.
[0052] En parallèle des étapes 50 et 52, lors d'une étape 54, l'actionneur 12 avance le lingot 4 dans la direction Z pour maintenir un bon contact mécanique entre le lingot 4 et le fil 10.
[0053] Également en parallèle, lors d'une étape 56, les mécanismes 22 et 24 asservissent la tension mécanique du fil 10 sur une consigne CT de tension mécanique. De préférence, cette consigne CT est choisie pour que la tension du fil 10 sur les bobines 14 et 16 soit inférieure ou égale à la moitié de la tension maximale avant rupture supportée par ce fil 10. Par exemple, dans le cas du fil 10 décrit ici, la tension maximale avant rupture est de 43 N à plus ou moins 15 % près. La consigne de tension mécanique est donc choisie inférieure à 21,5 N. Cela permet d'augmenter la durée de vie du fil 10.
[0054] Des essais ont été réalisés pour vérifier que le fil 10 permet effectivement de diminuer les variations d'épaisseur des tranches découpées. Pour ces essais, la machine 2 utilisée est la machine portant la référence WSD-K2, commercialisée par la société Takatori®.
[0055] Le lubrifiant utilisé pour évacuer les grains de silicium arrachés par le fil 10 est de l'eau pure.
[0056] Le lingot 4 est un parallélépipède de silicium monocristallin dont la section transversale est un carré de 156 mm de côté.
[0057] L'espacement entre les axes de deux sections successives parallèles du fil 10 dans la zone de découpe est de 700 μίτι. Cela permet de découper des tranches d'environ 550 μίτι d'épaisseur.
[0058] La tension du fil 10 dans la zone de découpe est réglée sur 15 Newton.
[0059] La vitesse de déplacement vertical du lingot 4 est de 0,75 mm/min, ce qui correspond, en régime permanent, à la vitesse de coupe.
[0060] Les longueurs Ll et L2 sont égales, respectivement, à 116,6 m et à 115,4 m.
[0061] La vitesse de déplacement du fil 10 pendant les étapes 50 et 52 est de 500 m/min.
[0062] À chaque essai, quatre tranches du lingot 4 sont découpées en même temps. Pour chaque essai, les grandeurs physiques suivantes ont été mesurées :
- la variation de l'épaisseur de la tranche, plus connue sous l'acronyme TTV (« Total Thickness Variation ») exprimée en micromètre,
- la flèche maximale du fil abrasif atteint après 3hl5 de découpe, exprimée en mm,
- l'épaisseur moyenne de la tranche, exprimée en micromètre,
- le pouvoir de coupe K du fil abrasif, exprimé en m2/N.
[0063] La variation de l'épaisseur d'une tranche est mesurée comme suit : 1) L'épaisseur de la tranche découpée est mesurée en treize points différents. La position de chacun des points de mesure est représentée par un point noir sur la figure 5.
2) La variation d'épaisseur d'une tranche est prise égale à la différence entre la plus grande et la plus petite des épaisseurs mesurées sur cette tranche lors de l'étape 1).
3) La variation d'épaisseur TTV est prise égale à la moyenne des variations d'épaisseur mesurées sur chacune des quatre tranches simultanément découpées.
[0064] La flèche est la distance entre :
- la hauteur maximale du fil, dans la direction Z, mesurée sur le bord vertical du lingot 4 après 3hl5 de découpe du lingot 4 à l'aide de ce fil, et
- la hauteur du fil au même emplacement dans les mêmes conditions mais en absence du lingot 4. Cette flèche est représentative du pouvoir de coupe K du fil. Elle est d'autant plus petite que le pouvoir de coupe du fil est élevé.
[0065] Le pouvoir de coupe K est défini par la relation suivante : K = Q/(F x V) où : - Q est le débit de matériau scié,
- F est la force appliquée par le fil perpendiculairement à la surface du matériau scié, et
- V est la vitesse du fil.
[0066] Le débit Q de matériau scié est donné, par exemple, par la relation suivante : Q = Vz x Y x C, où :
- C est la largeur du lingot 4,
- Y est la largeur du trait de scie,
- Vz est la vitesse verticale de coupe du lingot 4, et
- le symbole «x » est le symbole de la multiplication.
[0067] La vitesse Vz est, en régime permanent, approximativement égale à la vitesse de déplacement du lingot 4 dans la direction Z, c'est-à-dire ici égale à 0,75 mm/min.
[0068] Le premier essai a été réalisé avec un fil, noté « Référence » dans le tableau n°l ci-dessous. Ce fil est le fil commercialisé par la société ASAHI sous la référence ECO MEP ® 120 10-20HC. Le diamètre de son âme central est égal à 120 μηι. Les particules abrasives sont des diamants avec une répartition de taille telle que les diamètres D5 et D95 sont égaux, respectivement, à 10 μίτι et 20 μίτι. Le liant est du nickel et sa dureté est d'environ 430 Hv sur l'échelle de Vickers. L'épaisseur du liant est de 4 μίτι. La densité de particules abrasives est de 56 particules abrasives par millimètre.
[0069] Les deuxième et troisième essais ont été réalisés avec un fil identique au fil 10, sauf que :
- les particules abrasives sont des diamants RB avec une répartition de taille telle que le diamètre D5 est égal à 10 μίτι et le diamètre D95 est égal à 22 μίτι, et
- la densité de particules abrasives est de 92 particules abrasives par millimètre pour le deuxième essai et de 21 particules abrasives par millimètre pour le troisième essai. [0070] Dans le tableau n°l, ce fil est noté « RB 12-22 ».
[0071] Les quatrième au dixième essais ont été réalisés avec un fil identique au fil 10 et en diminuant progressivement la densité de particules abrasives de 41 particules abrasives par millimètre jusqu'à cinq particules abrasives par millimètre. Dans le tableau n°l, ces sept fils abrasifs sont désignés sous la référence « HYP 12- 25 » et seule la colonne qui contient le nombre de particules abrasives par millimètre permet de les distinguer les uns des autres.
Tableau n°l
[0072] Le tableau n°l résume les résultats expérimentaux obtenus lors de ces neuf essais. On remarque qu'une diminution franche de la variation d'épaisseur des tranches découpées intervient dès que la densité des particules abrasives est inférieure à 31 particules abrasives par millimètre et, de préférence, inférieure à 25 particules abrasives par millimètre. On remarque aussi que la diminution des variations d'épaisseur des tranches découpées est obtenue sans modifier de façon substantielle le pouvoir de coupe K du fil.
[0073] Des essais complémentaires ont montré que cette diminution de la variation d'épaisseur pour des densités de particules abrasives inférieure à 31 particules abrasives par millimètre était aussi obtenue en remplaçant les diamants Hyperion par d'autres types de diamants tels que des diamants RB ou MB (Métal Bond). D'autres essais ont également montré que cette diminution de la variation d'épaisseur est uniquement obtenue lorsque la diminution de la densité de particules abrasives est combinée avec une épaisseur de liant telle que décrite pour le fil 10. Enfin, il a aussi été établi que ce qui a été décrit ici reste vrai aussi avec une densité d'une particule abrasive par millimètre mais pas en-dessous. [0074] L'utilisation de diamant Hyperion en tant que particules abrasives permet d'obtenir un pouvoir de coupe K supérieur à celui qui serait obtenu avec des diamants MB (« Métal Bond »). Les diamants MB et les diamants Hyperion sont des diamants monocristallins. Les diamants RB, qui sont multi-cristallins, permettent de manière surprenante, d'obtenir un pouvoir de coupe supérieur à ce qui est obtenu avec les diamants Hyperion comme le montre le troisième essai.
[0075] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, d'autres liants métalliques peuvent être utilisés pour réaliser le fil abrasif. Ainsi, il est aussi possible d'utiliser des liants dans lesquels les matériaux suivants ou un alliage des matériaux suivants constitue au moins 90 % en masse du poids du liant : nickel, fer et cobalt. D'autres exemples de liants possibles sont décrits dans la demande FR3005592 ou FR3005593.
[0076] Le liant 34 peut être déposé en une seule couche ou en deux couches ou plus.
[0077] L'âme 30 peut être formée de plusieurs brins entrelacés entre eux. De même, l'âme 30 peut être réalisée dans d'autres matériaux que des aciers. Par exemple, l'âme 30 peut aussi être réalisée dans un matériau diamagnétique ou paramagnétique.
[0078] D'autres types de particules abrasives peuvent être utilisés. Par exemple, les particules abrasives peuvent être réalisées dans d'autres matériaux que du diamant. Ainsi, elles peuvent aussi être réalisées en SiC, en Si02, en WC, en Si3N4, en nitrure de bore, en Cr02, ou en oxyde d'aluminium. Les particules abrasives peuvent aussi être recouvertes d'un revêtement comme décrit dans la demande WO2013149965A. Des diamants monocristallins comme les diamants MB sont aussi utilisables.

Claims

REVENDICATIONS
1. Fil abrasif pour la découpe de tranches dans un lingot en matériau dur, ce fil comportant :
- une âme centrale (30) dont le diamètre est compris entre 0,05 mm et 0,15 mm,
- des particules abrasives (32) dont le diamètre minimal des particules abrasives à 5 %, noté D5, est supérieur ou égal à 5 μίτι et dont le diamètre maximal des particules abrasives à 95 %, noté D95, est inférieur à 40 μίτι, le diamètre D5 signifiant que seuls 5 %, en volume, des particules abrasives ont un diamètre inférieur à ce diamètre D5, et le diamètre D95 signifiant que 95 %, en volume, des particules abrasives ont un diamètre inférieur au diamètre D95, le diamètre d'une particule abrasive étant mesuré par compteur Coulter et correspondant au diamètre de la sphère qui aurait le même volume que la particule abrasive,
- un liant (34) qui maintient mécaniquement les particules abrasives sur l'âme centrale, l'épaisseur de ce liant étant comprise entre Tbo_min et Tbo_max, où
Tbo_min et Tbo_max sont donnés par les relations suivantes Tbo_max = D5 x (1 - Emin/100) et Tbo_min = D95 x (1 - Emax/100), où Emin et Emax sont respectivement, supérieur à 50 % et inférieur à 90 %,
caractérisé en ce que :
- la dureté du liant (34) est supérieure à 450 Hv sur l'échelle de Vickers, et
- le nombre de particules abrasives (32) par millimètre de fil est inférieur à 31 et supérieur à un sur au moins 1 km de la longueur du fil.
2. Fil selon la revendication 1, dans lequel le nombre de particules abrasives (32) par millimètre de fil sur plus de 1 km de sa longueur est inférieur à vingt-cinq ou à vingt.
3. Fil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nombre de particules abrasives (32) par millimètre est supérieur à cinq sur au moins 1 km de la longueur du fil.
4. Fil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la dureté du liant (34) est supérieure à 500 Hv sur l'échelle de Vickers.
5. Fil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre D95 des particules abrasives (32) est inférieur à 30 μίτι ou à 25 μίτι.
6. Fil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre D5 des particules abrasives (32) est supérieur ou égal à 8 μίτι.
7. Fil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les particules abrasives (32) sont des diamants multi-cristallins.
8. Procédé de découpe de tranches dans un lingot en matériau dur, ce procédé comportant :
- le déplacement (50, 52) d'un fil abrasif de découpe en le faisant frotter sur le lingot et ainsi scier ce lingot, ce déplacement se faisant en alternance dans un premier sens et dans un second sens opposé, et, à cet effet, le fil abrasif étant déroulé d'une bobine lorsqu'il se déplace dans le premier sens et, en alternance, enroulé sur cette bobine lorsqu'il se déplace dans le second sens,
caractérisé en ce que le fil abrasif est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel en même temps que le fil abrasif frotte sur le lingot, la tension mécanique du fil abrasif qui se déroule est maintenue (56) inférieure à la moitié de la tension mécanique nécessaire pour rompre ce fil abrasif, la tension mécanique étant celle du fil abrasif enroulé ou déroulé de la bobine.
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