Le dispositif d'orientation permet le positionnement d'un monocristal sur un support de telle manière que celui-ci, un fois monté sur une machine de découpe, soit découpé avec une orientation donnée de l'axe monocristallin par rapport au plan de sciage. De plus, la position du monocristal est telle que celui-ci se trouve placé parallèlement à la nappe de fils si la machine de découpe est une scie à fils ou parallèlement à la direction du mouvement définissant l'épaisseur des tranches s'il s'agit d'une découpe avec une lame. Le dispositif d'orientation comprend un ensemble mécanique permettant la rotation du monocristal selon deux axes perpendiculaires Rx et Rz. Les valeurs des angles de rotation à donner est déterminée mathématiquement après une mesure de l'orientation monocristalline par rapport à l'axe géométrique du monocristal.
Cette mesure peut se faire soit de manière optique, soit par rayons X. Une fois les deux rotations réalisées selon les valeurs calculées, le monocristal se trouvera dans la position recherchée pour la machine de découpe à savoir perpendiculairement à l'avance de la découpe ayant en plus son plan de découpe parallèle à celui de la machine. Le dispositif d'orientation permettra la fixation du monocristal soit par bridage soit par collage sur un support préindexé par rapport à la machine de découpe.
Les monocristaux généralement à usages optiques ou semiconducteurs nécessitent que ceux-ci soient découpés selon des orientations très précises par rapport aux axes monocristallins De plus, leur fabrication ne permet pas de contrôler de manière parfaite l'orientation des axes cristallins par rapport aux axes géométriques. Il faut donc pour que la découpe soit correcte corriger d'une part l'erreur de fabrication puis tenir compte des angles formés entre le plan de découpe et le plan monocristallin imposés par les procédés subséquents. Etant donné que la découpe se fait à partir d'un monocristal géométrique, il faudra le positionner et le maintenir dans l'espace de telle manière que le déplacement du système de découpe soit parallèle au plan de découpe désiré.
Il existe une infinité de positions possibles, toutefois il n'en n'existe que quatre qui en plus le place dans un plan perpendiculaire au plan de découpe de la machine. Le positionnement des monocristaux selon l'une de ces quatre positions permet donc de découper non seulement dans l'orientation désirée mais également de minimiser le temps de la découpe donc d'améliorer la productivité du dispositif de découpe.
Des dispositifs d'orientation de monocristaux sont déjà connus et utilisés dans l'industrie des semiconducteurs sur des tronçonneuses à diamètre intérieure ou sur des scies à fils. Le positionnement se fait à l'aide de table orientable Ry-Rz montée directement sur la machine. L'ajustement se fait après mesure optique ou rayon X. La correction est alors introduite selon Ry-Rz. Cette manière de pratiquer a le désavantage d'une part d'avoir une position du monocristal inclinée par rapport à l'avance de l'élément de découpe, (ce qui est très défavorable dans le cas d'une scie à fils où la nappe de fils doit être parallèle au monocristal géométrique) et d'autre part de ne pas minimiser la longueur de découpe (ce qui est alors défavorable pour les scies à diamètre intérieur en diminuant leur productivité).
De plus, cette manière de pratiquer oblige de régler la table de la machine avant chaque découpe de manière très précise et dans un environnement industriel souvent sale donc peu propice à ce type d'opération. Le temps de réglage de la machine contribue également à la baisse de la productivité.
Le but de l'invention consiste donc à remédier aux inconvénients précités en installant sur la machine de découpe, des monocristaux dont le plan de découpe est orienté parallèlement à la direction de découpe de la machine et tourné selon un axe perpendiculaire (normale au plan de découpe) de manière à minimiser la longueur de découpe. Cette détermination se fera mathématiquement en calculant les deux angles de rotation selon Rz et Rx à partir des mesures effectuées pour déterminer l'erreur du monocristal géométrique par rapport au réseau monocristallin en y incluant les exigences du procédé subséquent en relation avec les axes monocristallins.
Le montage du monocristal sur son support pourra se faire alors à l'aide du dispositif de montage objet de la présente invention qui autorise les rotations Rz et Rx du monocristal et la mesures des angles correspondant et de le monter tel quel sur son support. Le dit support étant une pièce préindexée appartenant à la machine de découpe. Le monocristal peut être bridé ou de préférence collé sur le support. Support qui, une fois transféré sur la machine de découpe, présentera au système de découpe un monocristal parfaitement orienté prêt à être scier sans ajustement subséquent. De plus, la précision de la découpe sera indépendante de la machine utilisée ou de l'opérateur dans le cas de chaîne de production.
L'ensemble se présentera donc sous la forme d'une table avec un plateau rotatif ayant son axe de rotation Rz vertical sur lequel est posé le support du monocristal sur lequel il sera ultérieurement fixé. Celui-ci à un système d'indexation identique à celui de la machine de découpe. Le support du monocristal est une pièce interface entre le dispositif objet de la présente invention et la machine de découpe. Il aura donc la même position sur le dispositif d'orientation et sur la machine de découpe. Au dessus du plateau rotatif mais fixe par rapport à la table se trouve un système permettant la tenue du monocristal et de le faire tourner selon son axe horizontal Rx. Ce système est composé dans le cas de monocristaux cylindriques de deux cylindres sur lequel repose le monocristal. Le monocristal peut alors tourner selon son axe Rx.
Le mouvement du plateau Rz et la rotation du monocristal Rx permet de le positionner dans n'importe quelle orientation. La valeur des deux angles selon Rx et Rz sera déterminé par les exigences du produit terminé et calculé mathématiquement. Un fois les deux rotations effectuées, un système fait mettre en présence le plateau support du monocristal avec le monocristal lui-même tout en conservant leur position relative. Ceci peut se faire soit par l'élévation du plateau rotatif soit par l'abaissement du monocristal. Une fois mis en contact le monocristal sera bridé ou collé en position. Le plateau support de monocristal pourra alors être transféré sur la machine de découpe. Le monocristal est alors orienté, prêt à être découpé. Les angles selon Rx et Ry sont mesurés par des dispositifs électroniques intégrés tels qu'encodeurs ou mécaniques par verniers par exemple.
Les figures annexées illustrent schématiquement et à titre d'exemple un dispositif en accord avec l'invention.
La fig. 1 illustre en perspective le principe de la présente invention. Le monocristal à orienter 1, posé sur des cylindres 2 peut tourner selon son axe Rx d'un angle à déterminé d. Les cylindres 2 sont fixés sur la table 4. Sur la même table 4 repose un plateau rotatif 5 tournant selon un axe Rz et sur lequel est monté le plateau support de monocristal 6. L'ensemble tourne d'un angle g autour de Rz. Un système de levage 7 du plateau rotatif 5 est fixé sous la table et permet de mettre en contact le monocristal 1 et le plateau support de monocristal 6 pour les fixer en position l'un avec l'autre. Un encodeur 8 mesure l'angle d alors que g est mesuré par un système intégré dans le plateau rotatif 5.
La fig. 2 illustre la différence de concepts entre la méthode couramment utilisée (a) avec les axes Ry et Rz comme axes de rotation pour définir la position du plan de découpe et la méthode, objet de l'invention qui utilise Rx et Rz comme axe de positionnement (b).
La fig. 3 représente selon deux vues la position du monocristal 1 obtenue par le procédé couramment utilisé et qui montre que le monocristal 1 n'est pas parallèle à la nappe de fils 3 dans le cas de l'utilisation d'une scie à fils comme moyen de tronçonnage. Rx Ry Rz sont les axes de découpe de la machine. Le plan machine Rx Ry n'est pas parallèle à l'axe géométrique x du monocristal 1.
La fig. 4 représente selon deux vues la position optimale du monocristal 1 par rapport à une nappe de fils dans le cas d'utilisation d'une scie à fils comme moyen de tronçonnage, la nappe de fils 3 se trouve dans un plan Rx Ry par rapport à l'axe géométrique x.
La fig. 5 représente le schéma vectoriel des divers référentiels liés au monocristal géométrique x, y, z (cylindre 1), au monocristal x min , y min , z min , au référentiel du plan de découpe de x sec , y sec , z sec . Le défaut d'alignement du monocristal x min , y min , z min avec la géométrie x, y, z nécessite une mesure optique ou R-X pour déterminer les angles a et f. Le référentiel de découpe lui est tourné selon y min et z min des angles t et p donnés par le procédé subséquent. La normale x sec au plan de découpe y sec , z sec fait un angle g avec x et la projection de x sec sur le plan y, z fait un angle d avec y.
La solution mathématique se présentera sous la forme suivante:
X min = M(a,f) X
avec M(a,f) matrice de rotation pour les angles a, f
X sec = M(t,p) X min
avec M(t,p) matrice de rotation pour les angles p,t
On en déduit que les deux angles que l'on fera effectuer au monocristal géométrique 1 selon x min min min et z min min min seront obtenus par les composantes X sec x, X sec y, X sec z de X sec (x, y, z) dans le repère x min min min , y min min min , z min min min où X sec et le vecteur normal au plan y sec , z sec dans le référentiel machine.
d = arctang (X sec z/X sec y) = rotation selon Rx
g = arctang ((sqrt(X sec y**2 + X sec z**2))/X sec x) = rotation selon Rz
La position obtenue en appliquant les rotations d et g donnera en plus le chemin minimum de découpe.
Le dispositif de positionnement ainsi décrit permet de découper un monocristal 1 selon des directions x sec , y sec , z sec bien précises sans réglage au niveau de la machine, le montage se faisant en temps masqué. Le monocristal 1 est alors fixé par bridage ou collage en position sur le support préindexé 6 par rapport à la machine de découpe de façon à reproduire dans celle-ci la position obtenue sur le dispositif de positionnement. Bien sûr, d'autre dispositifs peuvent être envisagés en utilisant d'autres angles dans des référentiels différents mais dont la combinaison conduira au même résultat. On pourra également utiliser une position inversée du plateau rotatif 5 selon Rz en procédant à la fixation du support de lingot 6 par le haut.
The orientation device allows the positioning of a monocrystal on a support so that the latter, once mounted on a cutting machine, is cut with a given orientation of the monocrystalline axis relative to the sawing plane. In addition, the position of the single crystal is such that it is placed parallel to the wire web if the cutting machine is a wire saw or parallel to the direction of movement defining the thickness of the slices if it is a cut with a blade. The orientation device comprises a mechanical assembly allowing the rotation of the single crystal along two perpendicular axes Rx and Rz. The values of the angles of rotation to be given is determined mathematically after a measurement of the single crystal orientation relative to the geometric axis of the single crystal.
This measurement can be done either optically or by X-rays. Once the two rotations performed according to the calculated values, the single crystal will be in the position sought for the cutting machine, namely perpendicular to the cutting advance having in addition its cutting plane parallel to that of the machine. The orientation device will allow the single crystal to be fixed either by clamping or by bonding to a pre-indexed support relative to the cutting machine.
Monocrystals generally for optical or semiconductor uses require that they be cut according to very precise orientations with respect to the monocrystalline axes. In addition, their manufacture does not allow perfect control of the orientation of the crystalline axes with respect to the geometric axes. It is therefore necessary for the cutting to be correct correct on the one hand the manufacturing error and then take into account the angles formed between the cutting plane and the monocrystalline plane imposed by the subsequent processes. Since the cutting is done from a geometric single crystal, it will have to be positioned and maintained in space so that the movement of the cutting system is parallel to the desired cutting plane.
There are an infinite number of possible positions, however there are only four that additionally place it in a plane perpendicular to the cutting plane of the machine. The positioning of the single crystals according to one of these four positions therefore makes it possible to cut not only in the desired orientation but also to minimize the time of cutting and therefore to improve the productivity of the cutting device.
Single crystal orientation devices are already known and used in the semiconductor industry on chainsaws with an internal diameter or on wire saws. Positioning is done using the Ry-Rz swiveling table mounted directly on the machine. The adjustment is made after optical or X-ray measurement. The correction is then introduced according to Ry-Rz. This way of practicing has the disadvantage on the one hand of having a position of the single crystal inclined with respect to the advance of the cutting element, (which is very unfavorable in the case of a wire saw where the ply of wires must be parallel to the geometric single crystal) and on the other hand not to minimize the cutting length (which is then unfavorable for saws with internal diameter by reducing their productivity).
In addition, this way of practicing requires adjusting the machine table before each cut very precisely and in an often dirty industrial environment therefore not conducive to this type of operation. Machine set-up time also contributes to lower productivity.
The object of the invention therefore consists in remedying the aforementioned drawbacks by installing on the cutting machine, single crystals whose cutting plane is oriented parallel to the cutting direction of the machine and rotated along a perpendicular axis (normal to the plane of cutting) so as to minimize the cutting length. This determination will be made mathematically by calculating the two angles of rotation along Rz and Rx from the measurements carried out to determine the error of the geometrical single crystal with respect to the monocrystalline network by including the requirements of the subsequent process in relation to the monocrystalline axes.
The mounting of the single crystal on its support can then be done using the mounting device object of the present invention which authorizes the rotations Rz and Rx of the single crystal and the measurement of the corresponding angles and to mount it as it is on its support. Said support being a pre-indexed part belonging to the cutting machine. The single crystal can be clamped or preferably glued to the support. Support which, once transferred to the cutting machine, will present to the cutting system a perfectly oriented single crystal ready to be sawed without subsequent adjustment. In addition, the precision of the cutting will be independent of the machine used or of the operator in the case of a production line.
The assembly will therefore be in the form of a table with a rotary table having its axis of rotation Rz vertical on which is placed the support of the single crystal on which it will be subsequently fixed. This has an indexing system identical to that of the cutting machine. The single crystal support is an interface piece between the device which is the subject of the present invention and the cutting machine. It will therefore have the same position on the orientation device and on the cutting machine. Above the rotary table but fixed relative to the table is a system allowing the single crystal to be held and to rotate it along its horizontal axis Rx. This system is composed in the case of cylindrical single crystals of two cylinders on which the single crystal rests. The single crystal can then rotate along its axis Rx.
The movement of the plate Rz and the rotation of the single crystal Rx makes it possible to position it in any orientation. The value of the two angles according to Rx and Rz will be determined by the requirements of the finished product and calculated mathematically. Once the two rotations have been carried out, a system brings the single crystal support plate into contact with the single crystal itself while retaining their relative position. This can be done either by raising the turntable or by lowering the single crystal. Once brought into contact, the single crystal will be clamped or glued in position. The single crystal support plate can then be transferred to the cutting machine. The single crystal is then oriented, ready to be cut. The angles according to Rx and Ry are measured by integrated electronic devices such as encoders or mechanical by verniers for example.
The appended figures illustrate schematically and by way of example a device in accordance with the invention.
Fig. 1 illustrates in perspective the principle of the present invention. The single crystal to be oriented 1, placed on cylinders 2 can rotate along its axis Rx by a determined angle d. The cylinders 2 are fixed on the table 4. On the same table 4 rests a rotary plate 5 rotating along an axis Rz and on which is mounted the single crystal support plate 6. The assembly rotates at an angle g around Rz. A lifting system 7 of the rotary plate 5 is fixed under the table and makes it possible to bring the single crystal 1 into contact with the single crystal support plate 6 to fix them in position with one another. An encoder 8 measures the angle d while g is measured by a system integrated in the turntable 5.
Fig. 2 illustrates the difference in concepts between the commonly used method (a) with the axes Ry and Rz as axes of rotation to define the position of the cutting plane and the method, object of the invention which uses Rx and Rz as positioning axis (b).
Fig. 3 shows in two views the position of the single crystal 1 obtained by the commonly used method and which shows that the single crystal 1 is not parallel to the ply of wires 3 in the case of the use of a wire saw as a means of parting off. Rx Ry Rz are the cutting axes of the machine. The machine plane Rx Ry is not parallel to the geometric axis x of the single crystal 1.
Fig. 4 shows in two views the optimal position of the single crystal 1 with respect to a ply of wires in the case of the use of a wire saw as a cutting-off means, the ply of wires 3 is in a plane Rx Ry relative to the geometric axis x.
Fig. 5 represents the vector diagram of the various reference frames linked to the geometric single crystal x, y, z (cylinder 1), to the single crystal x min, y min, z min, to the reference frame of the cutting plane of x sec, y sec, z sec. The misalignment of the single crystal x min, y min, z min with the geometry x, y, z requires an optical measurement or R-X to determine the angles a and f. The cutting reference frame is rotated to it by y min and z min by the angles t and p given by the subsequent process. The normal x sec on the cutting plane y sec, z sec makes an angle g with x and the projection of x sec on the plane y, z makes an angle d with y.
The mathematical solution will look like this:
X min = M (a, f) X
with M (a, f) rotation matrix for angles a, f
X sec = M (t, p) X min
with M (t, p) rotation matrix for angles p, t
We deduce that the two angles that we will make with the geometric single crystal 1 according to x min min min and z min min min will be obtained by the components X sec x, X sec y, X sec z of X sec (x, y , z) in the coordinate system x min min min, y min min min, z min min min where X sec and the vector normal to the plane y sec, z sec in the machine reference system.
d = arctang (X sec z / X sec y) = rotation according to Rx
g = arctang ((sqrt (X sec y ** 2 + X sec z ** 2)) / X sec x) = rotation according to Rz
The position obtained by applying the rotations d and g will also give the minimum cutting path.
The positioning device thus described makes it possible to cut a single crystal 1 in very precise directions x sec, y sec, z sec without adjustment at the machine level, the mounting being done in masked time. The single crystal 1 is then fixed by clamping or gluing in position on the preindexed support 6 relative to the cutting machine so as to reproduce therein the position obtained on the positioning device. Of course, other devices can be envisaged by using other angles in different reference frames but the combination of which will lead to the same result. We can also use an inverted position of the turntable 5 along Rz by fixing the ingot support 6 from above.