Dans un contexte de réduction des coûts de production, l'étude du comportement mécanique des plaquettes de silicium (wafers) est devenue un sujet de recherche incontournable dans le domaine des cellules photovoltaïques. En effet, la nécessité de réduire la perte de matière impose de produire des wafers de plus en plus fins. Or, l'étape de sciage au fil permettant d'obtenir ces plaquettes est à l'origine d'un fort endommagement de la surface des wafers, particulièrement avec les fils à abrasif fixe (diamantés). Afin de minimiser les taux de casse lors des étapes de manipulation ultérieures, il est essentiel de pouvoir corréler les paramètres de découpe avec les propriétés mécaniques des wafers obtenus.

A ce jour, il n'existe pas de norme d'essai standard pour évaluer la résistance mécanique des wafers de silicium. Les techniques de flexion uniaxiale (3 ou 4 points), très majoritairement mises en œuvre dans la littérature, sont parfois considérées comme insuffisantes car elles sollicitent surtout les défauts périphériques des échantillons. C'est pourquoi certaines études choisissent de mettre en œuvre des essais de flexion biaxiale sous forme d'appuis annulaires, dite Ring on Ring (RoR). La valeur théorique de contrainte étant nulle aux extrémités du wafer, cet essai permet en effet de s'intéresser exclusivement à l'influence des défauts de surface. Cependant, le respect les conditions de validité de la solution analytique impose de travailler avec des échantillons extrêmement petits (≈ 1 x 1 cm), prenant ainsi le risque de réduire la représentativité des résultats.

Cette étude présente donc premièrement une géométrie d'essai de flexion RoR à l'échelle d'un wafer entier (156 x 156 mm), et développe un protocole expérimental rigoureux. L'analyse des courbes force-déplacement, fortement non linéaires, met en évidence qu'au cours de l'essai, le wafer subit un ou plusieurs changements de mode de déformation, qui sont assimilés à du flambage. Un modèle éléments finis du montage permet de reproduire numériquement ce phénomène, et de comprendre l'état de contraintes réel dans le wafer.

Dans un second temps, l'étude se propose de valider l'intérêt de l'essai RoR pour l'évaluation des wafers de silicium, en s'efforçant de tester la validité des hypothèses suivantes :

1) L'essai RoR est insensible aux défauts périphériques des wafers

2) L'essai RoR est sensible aux effets de surface des wafers

Pour ceci, quatre séries de 50 wafers monocristallins issus de la même brique de découpe ont été préparées comme suit :

• Série 1 : wafers bruts de découpe de référence
• Série 2 : wafers avec défauts de bords (introduits au laser sous forme de lignes traversantes dans l'épaisseur de longueur ≈ 5 mm)
• Série 3 : wafers polis par attaque chimique
• Série 4 : wafers texturés

Des observations au microscope confocal confirment que les séries 1, 3 et 4 présentent des états de surface très différents. Les quatre séries ont ensuite été testées en essai RoR jusqu'à rupture. L'analyse des résultats montre d'une part que l'introduction des défauts de bords a diminué d'environ 20% la force à rupture des wafers par rapport à la série de référence. Il est montré que cette diminution est due au phénomène de flambage. D'autre part, les wafers polis chimiquement et texturés présentent une force à rupture moyenne respectivement 90% et 40% plus importante que les wafers de référence.

En considérant la taille très importante des défauts introduits au laser, nous concluons que bien qu'il ne soit pas insensible aux défauts périphériques, le montage de flexion RoR est beaucoup plus sensible aux effets de surface. Ces résultats permettent donc de confirmer l'intérêt du montage pour comparer l'influence de différents états de surface des wafers, et donc de différents paramètres de découpe, sur leurs propriétés mécaniques.