Brevet FR3088838A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Procédé de mesure d'au moins un paramètre d'usure d'un fil de coupe, son application à un procédé de coupe ou de fabrication des fils et dispositif associé Domaine technique 100011 La présente invention est relative à la mesure et au suivi de l'usure d'un fil de coupe utilisé notamment lors du sciage des tranches de silicium pour applications photovoltaïques. Elle concerne plus particulièrement un procédé de détermination d'au moins un paramètre de l'usure d'un fil de coupe à abrasif fixe à partir d'un modèle de prédiction. L'invention s'applique en particulier à un procédé de coupe et/ou à un procédé de fabrication du fil de coupe. Technique antérieure [0002] Le sciage en tranches fines du silicium, pour obtenir des wafers, ou d'autres substances dures telles que le saphir, peut être réalisé à l'aide de fil à abrasifs liés, à la surface desquels sont fixés des grains émergents de dureté supérieure à celle du matériau à mettre en forme, en général constitués de diamant. La coupe résulte alors d'un mouvement longitudinal du fil, éventuellement alternatif (inversion périodique de sens), sur lequel l'objet à scier exerce une force d'appui, ou inversement. Cette opération est réalisée dans des scies où le fil abrasif est enroulé plusieurs centaines de fois autour de guides cylindriques rotatifs rainurés qui déterminent l'écartement entre les passes, pour former une nappe. Dans le cas des wafers de silicium pour applications photovoltaïques, le diamètre extérieur typique du fil diamanté est en général inférieur ou égal à 120 pm avec un écartement entre passes de 150 à 300 pm, pour obtenir des plaquettes d'environ 180 pm d'épaisseur. [0003] Au cours de l'opération de sciage du silicium, le fil diamanté subit une usure qui se traduit principalement par une diminution de hauteur des protubérances et par l'arrachement de certains abrasifs, par exemple des grains de diamants (une perte d'épaisseur du liant est également possible). La rapidité de cette usure dépend de la nature et de la morphologie du fil, du matériau coupé (silicium mufti ou monocristallin, densité de précipités, etc.) et des conditions de sciage (vitesse de défilement du fil abrasif, vitesse de pénétration - avance, taux de rafraîchissement du fil, lubrification, etc.). Un suivi de l'usure du fil pendant la coupe permet d'adapter ces conditions en fonction des difficultés rencontrées, afin de préserver son intégrité. Pour cela, le suivi doit permettre d'analyser en temps réel de grandes longueurs de fil (plusieurs kilomètres) avec une résolution longitudinale aussi réduite que possible (quelques millimètres à quelques centimètres au maximum). 2 [0004] Des dispositifs et méthodes d'analyse des fils en ligne ont déjà été proposés. Par exemple, le document EP 2 586 582 Al « Wire saw control system and wire saw » de la société Applied MATerials (AMAT) décrit un système de suivi de l'usure du fil pendant la coupe, dans des scies « multi-fils », afin de réaliser un suivi visant à agir sur les conditions de sciage, en cas de nécessité. Le suivi de l'état du fil est effectué au moyen d'une caméra placée au niveau de la nappe de fils ou à proximité d'une bobine (zone non exposée aux projections de liquide et autres poussières). La caméra réalise des prises de vues du ou des fils qui sont déclenchées en fonction de leur vitesse (synchronisation). Ainsi, pour optimiser la qualité des prises de vues, il est préconisé d'enregistrer des images lorsque la vitesse du fil est proche de 0, avant et après l'inversion de sens (typiquement à +/-1 m/s au maximum), sans pour autant exclure des enregistrements cadencés. Les prises de vues sont ensuite traitées par analyse d'images afin de déterminer notamment le diamètre du fil et l'homogénéité de la répartition des diamants. Outre les difficultés de réglage des prises de vues par caméra (éclairage, mise au point), le procédé décrit dans cc document souffre d'un inconvénient inhérent à tous les procédés reposant sur du traitement d'images, à savoir le volume de données à traiter, qui grève la rapidité du procédé et mobilise d'importantes ressources informatiques. [0005] Le document JP 2005 - 37221 A « Inspection nzethod of wire saw, inspection device of wire saw and cniting device » de la société NORITAKE adressent également le suivi d'usure du fil dans les scies. Il s'appuie sur la détection de contours des fils diamantés au moyen de caméras CCD disposées perpendiculairement à l'axe de défilement du fil, avec un rétroéclairage par LED. Plusieurs caméras peuvent être installées autour du fil afin d'évaluer la distribution circonférentielle des diamants et d'appréhender une éventuelle usure dissymétrique. Là encore, le système proposé, basé sur des prises de vues, impose de réaliser un traitement d'images finalement peu compatible avec une analyse en ligne du fil. [0006] Le document JP 2014-108472 A « Wire Cool inspection method » dédié cette fois au suivi de production des fils diamantés décrit une méthode d'inspection de la couche de liant (résine ou métal électro-déposé) basée sur une mesure de diamètre par LASER. L'inconvénient majeur du procédé est qu'il est limité à des vitesses de défilement du fil de 10 à 40 m/min (valeurs typiques lors de la fabrication des fils diamantés). De plus, contrairement à notre invention, le traitement effectué vise à éliminer l'effet des protubérances sur les mesures et non pas assurer le suivi d'au moins un paramètre d'usure. [0007] Il existe donc un besoin d'un procédé de détermination et de suivi d'au moins un paramètre de l'usure d'un fil de coupe ne nécessitant pas une puissance de calcul élevé. Il existe également un besoin d'un procédé de détermination et de suivi d'au moins un paramètre de l'usure qui puisse être mis en oeuvre même lorsque la vitesse de dé- 3 filement du fil est élevée. Résumé de l'invention [0008] L'invention offre une solution aux problèmes détaillés ci-dessus en proposant un procédé de détermination d'au moins un paramètre (l'usure d'un fil de coupe à abrasif fixe à partir d'un modèle de prédiction ; le paramètre d'usure étant choisi parmi la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif ou la hauteur des protubérances ; le modèle de prédiction permettant de déterminer, à partir d'une mesure du diamètre apparent du fil, la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif et/ou la hauteur des protubérances. Pour cela, le procédé selon un premier aspect de l'invention comprend : une étape de mesure du diamètre apparent du fil de coupe ; une étape de détermination, à partir de ladite mesure et à l'aide du modèle de prédiction, de la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif et/ou la hauteur des protubérances dudit fil. [0009] Ainsi, par une simple mesure du diamètre apparent pouvant être réalisée à haute fréquence et donc pour une vitesse de défilement du fil élevée (en générale au moins égale à 30 m/s), il est possible de déterminer au moins un paramètre de l'usure du fil de coupe. En outre, cette détermination ne nécessite que des moyens de calculs limités, aucun traitement d'image n'étant nécessaire. On entend par hauteur des protubérances la hauteur de dépassement des grains abrasifs. [0010] Lc dispositif selon un premier aspect de l'invention peut également présenter und ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. [0011] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend, avant l'étape de mesure du diamètre apparent, une étape de détermination du modèle de prédiction, ladite étape comprenant : une sous-étape de mesure, pour différents états d'usures d'un fil, du diamètre apparent dudit fil ; une sous étape de détermination, pour les différents états d'usures d'un fil, de la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif et/ou la hauteur des protubérances dudit fil ; une sous-étape d'établissement, à partir des résultats de la sous-étape de mesure et de la sous-étape de détermination, du modèle de prédiction permettant de déterminer, à partir d'une mesure du diamètre apparent, la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif et/ou la hauteur des protubérances. [0012] Ainsi, lorsqu'aucun tiers ne fournit le modèle de prédiction, ce dernier peut être déterminé. [0013] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape de détermination du modèle de prédiction, les mesures sont effectuées avec une vitesse de défilement du fil inférieure à 30 m/s, de préférence égale à 0,5 m/s. [0014] Dans un mode de réalisation, la hauteur des protubérances est une hauteur normalisée, le diamètre apparent du fil est un diamètre apparent normalisé et/ou la densité linéique et/ou surfacique du fil est une densité linéique et/ou surfacique normalisée. [0015] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape de mesure du diamètre apparent du fil de coupe, la vitesse de défilement du fil est égale à la vitesse maximale de coupe. On entend par vitesse maximale la vitesse de défilement du fil lors de la coupe lorsque l'accélération de défilement dudit fil est nulle. [0016] Un deuxième aspect de l'invention concerne un procédé de coupe d'un lingot à l'aide d'un fil de coupe à abrasif fixe mettant en oeuvre un procédé de détermination d'au moins un paramètre de l'usure d'un fil de coupe à abrasif fixe à partir d'un modèle de prédiction selon un premier aspect de l'invention. [0017] Un troisième aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un fil de coupe à ahrasif fixe mettant en oeuvre un procédé de détermination d'au moins un paramètre d'usure d'un fil de coupe à ahrasif fixe à partir d'un modèle de prédiction selon un premier aspect de l'invention. [0018] Un quatrième aspect de l'invention concerne un dispositif de coupe comprenant des moyens de mettre en oeuvre le procédé selon un premier, un deuxième ou un troisième aspect de l'invention. [0019] Un cinquième aspect de l'invention concerne un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui conduisent le dispositif selon un quatrième aspect de l'invention à exécuter les étapes d'un procédé selon un premier, un deuxième ou un troisième aspect de l'invention. [0020] Un sixième aspect de l'invention concerne un support lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d'ordinateur selon un cinquième aspect de l'invention. Brève description des dessins [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la des- cription qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : [0022] [fig.1] montre un ordinogramme d'un procédé selon un premier aspect de l'invention. [0023] [fig.2] montre une représentation schématique du principe de mesure du diamètre apparent par ombrage. [0024] [fig.3] montre l'évolution de la densité linéique d'abrasif normalisée en fonction du diamètre apparent normalisé. [0025] [fig.4] montre l'évolution de la hauteur des protubérances normalisée en fonction du diamètre apparent normalisé. [0026] [fig.5] compare la valeur du diamètre apparent mesurée dans un procédé selon l'invention et cette même valeur mesurée ex-situ en fonction de l'avancement de la coupe. [0027] [fig.6] montre la valeur de la densité linéique d'abrasif (ici le diamant) en fonction de l'avancement de la coupe et pour deux coupes différentes. [0028] [fig.7] montre la valeur de la hauteur des protubérances en fonction de l'avancement de la coupe et pour deux coupes différentes. [0029] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION [0030] Un premier mode de réalisation d'un premier aspect de l'invention illustré à la figure 1 représente un procédé 100 de détermination d'au moins un paramètre d'usure d'un fil de coupe à abrasif fixe à partir d'un modèle de prédiction. [0031] L'usure d'un fil est généralement caractérisée par au moins un paramètre choisi parmi la densité linéique et/ou surfacique d'abrasifs, par exemple du diamant, ou la hauteur des protubérances. Le procédé 100 de détermination selon un premier aspect de l'invention vise donc à déterminer au moins l'un de ces paramètres. Pour cela, ledit procédé 100 fait usage d'un modèle de prédiction, ledit modèle de prédiction permettant de déterminer, à partir d'une mesure du diamètre apparent du fil, la densité linéique et/ou surfacique d'abrasifs et/ou la hauteur des protubérances. Ainsi, grâce au procédé 100 selon un premier aspect de l'invention, il n'est plus nécessaire de mesurer directement les paramètres permettant de caractériser l'usure du fil, mais seulement le diamètre apparent du fil. Le diamètre apparent du fil intègre celui de son âme (généralement métallique), le plus souvent comprise entre 50 et 120 pm, l'épaisseur d'un éventuel liant la recouvrant et la hauteur d'éventuelles protubérances contenant ou correspondant aux grains d'abrasif, généralement constitués de diamant, non nécessairement réparties symétriquement par rapport à l'axe. [0032] Le modèle de prédiction nécessaire à la mise en oeuvre du procédé 100 selon un premier aspect de l'invention peut être déterminé par un tiers, par exemple le fournisseur ou le fabricant du fil, et fourni à l'utilisateur. Cependant, il peut être nécessaire de le déterminer lorsque le fournisseur n'est pas en mesure d'effectuer ladite détermination. Cette détermination sera détaillée dans la suite. [0033] Une fois que le modèle de prédiction a été établi ou que ce dernier a été fourni par un tiers, il est possible de déterminer le ou les paramètres de l'usure d'un fil à partir de la mesure du diamètre apparent. Pour cela, le procédé 100 selon un premier aspect de 6 l'invention comprend une étape E101 de mesure du diamètre apparent du fil de coupe. Cette mesure peut être effectuée au moyen d'un ou plusieurs micromètres optiques. [0034] Dans un mode de réalisation, la mesure du diamètre apparent est effectuée au moyen d'un dispositif tel que décrit dans la demande W02017/036888A1. Dans un tel dispositif, le diamètre apparent du fil est mesuré selon une ou plusieurs directions afin d'évaluer la répartition circonférentielle des grains d'abrasif. Une telle mesure se fait au moyen d'un ou plusieurs micromètres optiques, la mesure reposant sur le principe d'ombrage illustré à la figure 2 selon lequel un faisceau lumineux plan est coupé perpendiculairement par le fil en mouvement. La taille de la zone occultée par le fil, qui correspond à son diamètre apparent, est alors mesurée par un capteur linéaire photosensible. De préférence, on choisira un capteur linéaire dont la largeur utile est comprise entre 20 et 40 pm, de préférence égale à 30 pm. Les mesures ainsi obtenues sont enregistrées avec, en général, une fréquence maximale de 16 kHz et par paquets de 400 000 points. Dans un mode de réalisation, un ou plusieurs micromètres optiques sont installés à l'intérieur d'une scie à fil, en amont ou/et en aval de la chambre de coupe, pour mesurer le diamètre apparent du fil suivant une ou plusieurs directions. Le ou les micromètres sont montés sur des supports assurant leur perpendicularité avec le fil (par exemple à +/- 20 près) et sont équipés de déplacements micrométriques, afin de régler le centrage du domaine de mesure sur le fil (par exemple à +/- 0,2 mm près). [0035] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape E100 de mesure du diamètre apparent du fil de coupe, le fil se déplace à sa vitesse maximale de coupe. On entend par vitesse maximale la vitesse de défilement du fil lors de la coupe lorsque l'accélération de défilement dudit fil est nulle. Dans un mode de réalisation, cette vitesse de défilement est comprise entre 20 et 40 m/s, de préférence égale à 30 m/s. [0036] Une fois que le diamètre apparent a été déterminé, il est possible d'en déduire au moins un paramètre caractéristique de l'usure du fil. Pour cela, le procédé 100 comprend une étape E102 de détermination, à partir de ladite mesure et à l'aide du modèle de prédiction, de la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif et/ou la hauteur des protubérances dudit fil. Autrement dit, le diamètre apparent est fourni en entrée du modèle de prédiction et ce dernier fournit en sortie au moins un paramètre de l'usure du fil de coupe. [0037] Comme précisé précédemment, il peut être nécessaire de déterminer le modèle de prédiction lorsque ce dernier n'est pas fourni par un tiers. Pour cela, dans un mode de réalisation, le procédé 100 comprend une étape E100 de détermination du modèle de prédiction. [0038] Cette étape E100 de détermination du modèle de prédiction comprend une sous- étape E1001 de mesures, pour différents états d'usures d'un fil, du diamètre apparent dudit fil. Dans un mode de réalisation, la sous-étape de mesure est effectuée à faible 7 vitesse de défilement (relativement à la vitesse de défilement lors de l'étape de mesure du diamètre apparent du fil). On entend par faible vitesse de défilement une vitesse de défilement inférieure ou égale à 0,5 m/s. Cette sous-étape El 001 de mesure peut être effectuée ex-situ, par exemple sur un bobineur, ou directement sur la scie, par exemple en faisant défiler de courts tronçons du fil. Lorsque cette sous-étape El 001 est réalisée sur la scie, la mesure du diamètre apparent peut être effectuée en utilisant les moyens déjà détaillés précédemment dans le cadre de l'étape E101 de mesure du diamètre apparent du fil de coupe. De préférence, cette sous-étape E1001 de mesure est réalisée à vitesse stable, c'est-à-dire lorsque l'accélération de défilement du fil est nulle. En effet, il a été observé que les mesures étaient perturbées lors des phases d'accélération et de décélération du fil, probablement du fait de variations de sa tension. [0039] L'étape E100 de détermination du modèle de prédiction comprend ensuite une sous- étape E1002 de détermination, pour les différents états d'usures d'un fil, de la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif et/ou la hauteur des protubérances dudit fil. En effet, les conditions de mesure décrite précédemment permettent notamment l'utilisation du procédé décrit dans la demande W02017/03688A1 et donc de déterminer, pour chaque état d'usure, le diamètre apparent, l'épaisseur de liant (connaissant le diamètre de l'âme), la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif ainsi que la hauteur des protubérances. En effet, la demande W02017/03688A1 décrit une méthode de traitement statistique reposant sur l'établissement et l'exploitation d'un histogramme normalisé de la densité de probabilité de mesurer un diamètre apparent donné. Cette méthode permet de déterminer la densité linéique et/ou surfacique d'abrasif (par exemple des diamants) et la hauteur des protubérances, qui sont des indicateurs de l'usure du fil. L'inconvénient majeur de cette méthode est cependant que le traitement statistique utilisé ne peut s'appliquer que pour des vitesses de défilement du fil inférieures ou égales à 0,5 in/s (30 ni/min) Aussi, lors de l'étape E100 de détermination du modèle de prédiction, la vitesse de défilement du fil est plus faible que lors de l'étape E101 de mesure du diamètre apparent du fil. [0040] L'étape E100 de détermination du modèle de prédiction comprend ensuite une sous- étape E1003 d'établissement, à partir des résultats de la sous-étape E1001 de mesure et de la sous-étape E1002 de détermination, du modèle de prédiction permettant de déterminer, à partir d'une mesure du diamètre apparent, la densité linéique et/ou surfacique d'abrasifs et/ou la hauteur des protubérances. Autrement dit, le modèle de prédiction ainsi obtenu permet de déterminer, à partir d'une mesure du diamètre apparent fourni en entrée, la valeur de la hauteur des protubérances et/ou la valeur de la densité linéique et/ou surfacique d'abrasifs. Le modèle peut prendre la forme d'une courbe paramétrique ou bien encore d'un tableau de correspondance (lookup table en anglais). 8 [0041] Dans un exemple de réalisation, l'étape El 00 de détermination du modèle de prédiction est effectuée ex-situ à partir d'un fil à l'état neuf. Dans un mode de réalisation alternatif, l'étape E100 de détermination du modèle de prédiction est effectuée sur la scie à partir d'un fil à l'état neuf. Dans un mode de réalisation, durant la mesure, au moins 100 000 enregistrements, de préférence 400 000 enregistrements sont effectués à une fréquence dc 16 kHz et pour une vitesse de fil de 0,5 m/s. De préférence, la durée d'enregistrement est de 25 secondes, soit une longueur de fil d'au maximum 12,5 m. Ensuite, à l'aide du procédé décrit dans la demande W02017/03688A1, on déduit l'épaisseur de liant (connaissant le diamètre dc l'âme), la densité linéique et/ou surfacique d'abrasifs ainsi que la hauteur des protubérances. [0042] Dans un mode de réalisation, la hauteur des protubérances est une hauteur normalisée, le diamètre apparent du fil est un diamètre apparent normalisé et/ou la densité linéique et/ou surfacique d'abrasifs du fil est une densité linéique et/ou surfacique normalisée. [0043] Plus particulièrement, le diamètre apparent normalisé est déterminé à l'aide de la formule suivante : [0044] wesuY' D ni esure _Dtatalementusé nrvm DneüJ-Dtotalementusé [0045] où "'sure '81';re est le diamètre apparent normalisé mesuré, Druesur`' est le norm diamètre apparent mesuré, D n e r est le diamètre apparent du fil à l'état neuf et Du sée est le diamètre apparent du fil totalement usé. On notera donc que le diamètre apparent normalisé du fil à l'état neuf est égal à 1 tandis que le diamètre apparent normalisé du fil totalement usé est égal à zéro, c'est-à-dire n e S Lire La u="nor rn 1 normalisation du diamètre apparent permet de comparer et d'intégrer dans un même modèle de prédiction des mesures effectuées sur des diamètres de fil à l'état neuf différents. [0046] De la même manière, la densité linéique d'abrasifs normalisée est déterminée à l'aide de la formule suivante : [0047] n mesure [0047]mesure e .5 1,1 e r pn e u f n orm 100481 où p mesure est la densité linéique d'abrasifs normalisée mesurée, p'n s L? " est nOK171 la densité linéique d'abrasif mesurée et pi/ f est la densité linéique d'abrasifs du fil à l'état neuf. On notera que la densité linéique d'abrasif normalisée du fil à l'état parfaitement neuf (c'est-à-dire, de préférence avant bobinage) est égale à 1 tandis qu'une usure extrême (jamais atteinte en pratique) correspond à une densité linéique d'abrasif normalisée égale à 0, c'est-à-dire 0