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A utilização do fio diamantado na lavra de granitos ornamentais no Brasil é uma técnica de corte relativamente recente e, por esta razão, alguns problemas são decorrentes, principalmente do uso incorreto dos equipamentos, assim como também da falta de experiência dos operadores. Os casos aqui apresentados se reportam a observações em pedreiras localizadas no estado do Espírito Santo, nas quais as imperfeições no corte se relacionam à velocidade de corte, à torção do cabo, à refrigeração do fio, à retirada antecipada das polias auxiliares e à execução inadequada das emendas. A estes fatores técnicos se somam outros, de natureza geológica, como a necessidade de melhor conhecimento das características dos maciços rochosos e da petrografia dos granitos. / The use of the diamond wire in quarries of ornamental granites in Brazil is a relatively recent technique of cut and, for this reason, some problems are decurrent, mainly, of the incorrect use of the equipment, as well as of the lack of experience of operators. The cases here presented report the observations in quarries located in the state of Espirito Santo, in which the imperfections in the cut if regard the speed of cut, the twist and refrigeration of the wire and to the inadequate execution of the amendings. To these technical factors others are added, of geologic nature, like the necessity of better knowledge of the characteristics of the rocky bulks and the petrography of granites.

A utilização do fio diamantado na lavra de granitos ornamentais no Brasil é uma técnica de corte relativamente recente e, por esta razão, alguns problemas são decorrentes, principalmente do uso incorreto dos equipamentos, assim como também da falta de experiência dos operadores. Os casos aqui apresentados se reportam a observações em pedreiras localizadas no estado do Espírito Santo, nas quais as imperfeições no corte se relacionam à velocidade de corte, à torção do cabo, à refrigeração do fio, à retirada antecipada das polias auxiliares e à execução inadequada das emendas. A estes fatores técnicos se somam outros, de natureza geológica, como a necessidade de melhor conhecimento das características dos maciços rochosos e da petrografia dos granitos. / The use of the diamond wire in quarries of ornamental granites in Brazil is a relatively recent technique of cut and, for this reason, some problems are decurrent, mainly, of the incorrect use of the equipment, as well as of the lack of experience of operators. The cases here presented report the observations in quarries located in the state of Espirito Santo, in which the imperfections in the cut if regard the speed of cut, the twist and refrigeration of the wire and to the inadequate execution of the amendings. To these technical factors others are added, of geologic nature, like the necessity of better knowledge of the characteristics of the rocky bulks and the petrography of granites.

La tesis presenta en resumen, un procedimiento de demolición con una innovadora propuesta técnica; desarrollando un proceso de demolición controlada mediante el uso del sistema de corte con hilo diamantado. Contribuyendo además a innovar e incorporar en favor de las actividades de la ingeniería civil una guía práctica en la introducción del uso y aplicación del sistema de demolición controlada con hilo de diamante. Se elabora con este fin un desarrollo de los contenidos, relacionando los conceptos teóricos con la experiencia de su aplicación en las últimas obras realizadas. Como se sintetiza en el título, se va a presentar la aplicación del sistema de demolición controlada con hilo de diamante en una súperestructura utilizada para la demolición del Puente San Borja Norte, del intercambio vial El Derby. Para una fácil comprensión de este proceso de demolición se describirá cada una de las partes que conforman el sistema. En el desarrollo de la tesis se demostraran las cualidades y condiciones de empleo que presenta la aplicación de la demolición controlada con hilo de diamante en las estructuras de concreto armado. Finalmente, se darán las pautas y consideraciones que se deben tener en cuenta para la aplicación del sistema de demolición controlada con hilo de diamante para la demolición de estructuras de obras civiles. / This thesis analyses a demolition process with an innovative technical proposal: to develop a controlled demolition process by using a diamond wire saw system. It contributes to the integration in the Civil engineering field of the diamond wire saw by providing a practical guide and showing its application. After giving a theoretical background, some experience of its application on some constructions will be presented. The main application here discussed is related to the demolition of “the bridge San Borja Norte on the exchange road El Derby” by the diamond wire saw system, and it will be compared to other demolition systems commonly used, like the rotary hammer. Advantages, disadvantages and operating conditions of the different systems will be analysed. Finally, guidelines for the controlled demolition of civil structures by the diamond wire saw system will be given. / Tesis

Le passage de la technologie au slurry à celle au fil diamanté sur les machines à fils de découpe des blocs de silicium en wafers est motivé par des enjeux économiques et environnementaux. Depuis peu, cette transition de technologie dans l’industrie photovoltaïque s’est accélérée avec la commercialisation d’une nouvelle génération de machines. Afin de profiter de cette transition et de son avenir prometteur, Thermocompact s’est engagé dans le développement de fils diamantés. Le procédé choisi pour le dépôt des particules et du liant métallique enchâssant les particules à la surface du fil est la voie électrochimique. Les premiers essais de fabrication de fils diamantés ont révélé un manque de maîtrise du procédé d’élaboration et un échec pour atteindre les caractéristiques techniques demandées pour la découpe du silicium. Les travaux de cette thèse se sont donc axés dans un premier temps sur la relation entre le bain électrolytique, les conditions de dépôt et ses propriétés, puis sur le comportement des particules à la fois dans le bain jusqu’à leur incorporation à la surface du fil. L’étude s’est poursuivie sur la relation complexe entre les caractéristiques du fil produit, la matière à découper et la machine de découpe utilisée (design, paramètres utilisés). Ce travail a abouti à produire un fil diamanté de diamètre 70µm conforme aux exigences des usineurs pour la découpe à l’échelle industrielle du silicium monocristallin sur des machines de nouvelle génération. Les résultats de découpe vont permettre désormais de démarcher des clients potentiels dans l’industrie photovoltaïque. / The change of technology from slurry to diamond wires in the wafer slicing machines is motivated by economic and environmental issues. Only recently, this transition of technology in the photovoltaic industry has ramped up with the commercialization of a new generation of wafering machines. So as to take advantage of this situation, Thermocompact has launched the development of diamond wires. The selected process is an electrochemical codeposition of metal and diamond particles embedded on the wire surface.The first tests of diamond wire production have shown a lack of process control and a failure to reach the technical characteristics requested by its use. The studies in this thesis are based on the relationship between the electrolytic bath, the coating conditions and the coating properties, then on the behavior of particles both in the bath and up to their incorporation on the wire surface. The researches continued afterwards on the complex link between the characteristics of diamond wire, the material to slice and the machine used for slicing (design, recipe). This work has succeeded in defining a diamond wire with a diameter of 70µm in compliance with customer requirement for the industrial slicing of single crystalline silicon with the new generation of machines. These results will be now used for prospecting new customers in the photovoltaic industry.

Pour l’industrie photovoltaïque (PV) l’optimisation de la découpe de lingot de silicium en tranches représente un enjeu à la fois économique et scientifique. Enjeu économique en ce qu’il est important de réduire la perte de matière induite par la découpe. Enjeu scientifique en ce qu’il est nécessaire de comprendre l’impact du sciage sur la qualité du silicium au voisinage de la surface. Ce travail de thèse de doctorat a pour objectif de caractériser la nature et l’extension de l’endommagement généré par une technique innovante de découpe réalisée à l’aide de fils diamantés. Un objectif majeur est d’évaluer l’épaisseur de la couche de silicium perturbée (appelée SSD). Afin de caractériser la SSD, des analyses physico-chimiques en fonction de la profondeur ont été réalisées d’une part, sur des échantillons bruts de découpe en surface, en coupes biaises ou transverses et d’autre part, par enlèvement progressif de matière par des attaques chimiques en solutions diluées. Des protocoles de préparation d’échantillons ainsi que de nombreuses techniques de caractérisation ont été utilisées. En particulier des techniques de microscopie (optique, confocale, électronique MEB et TEM), de spectroscopie de photoélectrons (XPS), de diffraction de rayons X (DRX), de spectroscopie Raman ainsi que des essais de résistances mécaniques aboutissent à une caractérisation multi-échelle des tranches et de coupons. Un polissage en coupes biaises avec un angle faible permet d’étendre la zone d’observation des défauts en profondeur et d’en faire une analyse statistique. De plus, des méthodes de mesure de durée de vie des porteurs minoritaires sont exploitées pour évaluer les processus de recombinaison sur la couche perturbée. Le temps de vie a été obtenu via la mesure de la décroissance de photoconductivité (PCD) sur des surfaces passivées par différents matériaux (SiNx :H, Al2O3) et procédés de dépôts (PECVD, ALD). D’abord, la caractérisation des échantillons bruts de découpe indique que les défauts majeurs de la SSD sont des fissures générées par la découpe et qui se propagent en subsurface. Ces fissures se distribuent sur des profondeurs variables et hétérogènes selon les conditions de découpe. Ensuite, les résultats de la méthode par enlèvement contrôlé montrent, d’une part, un effet de la SSD dans les processus de recombinaison. La précision d’évaluation de cet effet est conditionnée par des passivations de surface optimisées et des mesures fiables du temps de vie. D’autre part, ils montrent une interaction de l’attaque chimique avec les fissures. Ce dernier point est déterminant dans l’évaluation de l’épaisseur de la SSD globale pouvant impacter les performances des cellules solaires. / For photovoltaic industry (PV), the optimization of cutting silicon ingot into wafers represents both an economic and a scientific issue. Economic challenge in that it is important to reduce the loss of material induced by cutting. Scientific issue in that it is necessary to understand the impact of sawing on the quality of silicon near the surface. This PhD research work aims to characterize the nature and extent of the damage generated by an innovative cutting technique using diamond wires. A major objective is to evaluate the thickness of the subsurface damage layer (called SSD). In order to characterize the SSD, physical and chemical investigations as a function of depth were performed on either as-cut surface, bevel or transverse sectioned samples or by removal of material by sequential etching in diluted solutions. Sample preparation protocols as well as many characterization techniques were used. In particular microscopy techniques (optical, confocal, electronic SEM and TEM), photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and mechanical strength tests allow multiscale characterization of wafers and coupons. A low bevel angle polishing lets to extend the observation zone of deep defects and to make a statistical analysis. Furthermore, methods from measuring the minority carrier lifetime are used to evaluate the recombination processes on the disturbed layer. The lifetime was obtained by photoconductivity decay (PCD) measurements on SiNx: H and Al2O3 passivated surfaces obtained from PECVD and ALD deposition processes respectively. First, characterizing samples from as-cut wafers indicates that the major defects of the SSD are cracks generated by cutting and propagated into the subsurface. These cracks are distributed over varying and heterogeneous depths depending on the sawing conditions. Second, the results of the sequential removal method show, on the one hand, an effect of the SSD in recombination processes. The evaluation accuracy of this effect is conditioned by optimized surface passivation and reliable measurements of lifetime. On the other hand, an interaction of chemical attack with cracks is shown. This is crucial in the evaluation of the absolute thickness of SSD layer that may impact the solar cells performance.

In der Photovoltaikindustrie wird der Diamantdrahtsägeprozess für die Fertigung kristalliner Siliziumwafer eingesetzt. In dieser Arbeit wird ein dynamisches Modell des Drahtsägeprozesses entwickelt, das die Simulation relevanter Prozessvariablen über die Prozesszeit und über die Ausdehnung des Drahtfeldes zulässt. Den Kern der Modellierung bildet ein parametrisches Abtragmodell, das die Abtragrate in Funktion verschiedener Prozessvariablen beschreibt. Die Parameter dieses Modells werden anhand von Messdaten identifiziert. Basierend auf dem validierten Modell werden Ansätze zur Rezeptoptimierung untersucht mit dem Ziel, die Produktivität zu steigern. Abschliessend wird ein ausgewählter Ansatz aus der Rezeptoptimierung experimentell validiert. Aus der Versuchsreihe geht hervor, dass mit den entwickelten Ansätzen eine wesentliche Reduktion der Prozesszeit möglich ist.:1. Einleitung 1.1. Einordnung der Arbeit 1.2. Beschreibung des Drahtsägeprozesses mit Diamantdraht 1.3. Technisch-wissenschaftliche Zielsetzungen 1.4. Stand der Technik 1.5. Gliederung der Arbeit 2. Modellierung des Drahtsägeprozesses 2.1. Überblick und Notation 2.2. Modell für den Kontakt zwischen Draht und Siliziumbrick 2.3. Parametrisches Abtragmodell 2.4. Drahttransformationsmodelle 2.5. Rezeptmodell 2.6. Überblick über das Gesamtmodell 2.7. Implementierung in der Simulationsumgebung 3. Identifikation der Modellparameter und Modellvalidierung 3.1. Messdaten und Experimente 3.2. Methodik der Parameteridentifikation 3.3. Ergebnisse und Diskussion 4. Ansätze zur Rezeptoptimierung 4.1. Zielsetzungen und Grundlagen 4.2. Analyse der Prozessvariablen im quasistationären Zustand 4.3. Beschreibung verschiedener Methoden zur Erhöhung des Abtrages 4.4. Simulationsbasierter Vergleich verschiedener Rezepte 5. Experimentelle Validierung der Rezeptoptimierung 5.1. Überlegungen zur Planung und Durchführung der Versuche 5.2. Abgleich mit dem Simulationsmodell 5.3. Auswertung und Diskussion der Versuchsergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick / In the photovoltaic industry, the diamond wire sawing process is used for the production of crystalline silicon wafers. In this thesis, a dynamic model of the wire sawing process is presented, which enables the simulation of relevant process variables over the process time and the extension of the wire web. The model comprises a parametric material removal model, which describes the removal rate as a function of different process variables. The parameters of this model are identified using experimental data. Based on the validated model, different approaches to the optimization of the recipe are analyzed with the aim of increasing the productivity of the process. Finally, a selected approach is experimentally validated. The series of experiments reveals that a substantial reduction of the process time is achievable using the developed approaches.:1. Einleitung 1.1. Einordnung der Arbeit 1.2. Beschreibung des Drahtsägeprozesses mit Diamantdraht 1.3. Technisch-wissenschaftliche Zielsetzungen 1.4. Stand der Technik 1.5. Gliederung der Arbeit 2. Modellierung des Drahtsägeprozesses 2.1. Überblick und Notation 2.2. Modell für den Kontakt zwischen Draht und Siliziumbrick 2.3. Parametrisches Abtragmodell 2.4. Drahttransformationsmodelle 2.5. Rezeptmodell 2.6. Überblick über das Gesamtmodell 2.7. Implementierung in der Simulationsumgebung 3. Identifikation der Modellparameter und Modellvalidierung 3.1. Messdaten und Experimente 3.2. Methodik der Parameteridentifikation 3.3. Ergebnisse und Diskussion 4. Ansätze zur Rezeptoptimierung 4.1. Zielsetzungen und Grundlagen 4.2. Analyse der Prozessvariablen im quasistationären Zustand 4.3. Beschreibung verschiedener Methoden zur Erhöhung des Abtrages 4.4. Simulationsbasierter Vergleich verschiedener Rezepte 5. Experimentelle Validierung der Rezeptoptimierung 5.1. Überlegungen zur Planung und Durchführung der Versuche 5.2. Abgleich mit dem Simulationsmodell 5.3. Auswertung und Diskussion der Versuchsergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick