Analyse et optimisation du procédé de découpe de plaques de silicium

• Main Author: Rouault de Coligny, Pierre
• Language: FRE
• Published: École Nationale Supérieure des Mines de Paris 2002
• Subjects: [SPI:MECA] Engineering Sciences/Mechanics; silicium; sciage à fil; abrasion trois-corps; tribomètrie annulaire plan-plan; simulation numérique
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006493; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/69/68/PDF/tel-00006493.pdf

Cette étude s?inscrit dans le cadre d?une collaboration entre le Centre de Mise en Forme des Matériaux, l?Agence de l?Environnement et de la Maîtrise de l?Energie et la société Photowatt et concerne l?une des étapes de la fabrication des modules photovoltaïques : la découpe de plaques minces de silicium multicristallin par sciage à fil.<br />Une étude bibliographique associée à l?observation des plaques brutes montre que le sciage à fil produit de l?abrasion trois corps et que l?enlèvement de matière se fait de manière ductile par formation de micro-copeaux. La profondeur d?indentation à laquelle se produit la transition ductile-fragile mise en évidence par l?étude bibliographique n?est donc pas franchie. L?abrasion produite peut être décrite par la loi classique d?Archard. La profondeur de la zone endommagée par la découpe a été estimée à 2,5 µm.<br />Une étude thermique a montré que la température de la découpe ne dépasse pas 50°C environ et qu?elle dépend de la capacité d?évacuation de la chaleur par le fil. L?analyse des défauts des plaques a permis d?identifier leur origine et de dégager des solutions. La mesure de l?usure du fil a montré que la réduction de son diamètre n?est envisageable que si son régime de défilement est rendu continu. Le gain de silicium, d?énergie sur plusieurs plans et l?amélioration de l?état de surface des plaques plaident également pour la suppression du régime alternatif (back & forth). Le recyclage de l?abrasif est envisageable, nous avons montré que son efficacité n?est en effet pas affectée par la découpe.<br />Un dispositif de simulation tribologique a été mis en place, il permet d?étudier l?abrasion du silicium dans les mêmes conditions que dans le sciage à fil. Un modèle mécanique reliant la courbure du fil aux paramètres issus du sciage et de la tribologie permet de prédire la hauteur de la nappe de fil, sa flèche en régime transitoire et permanent, la pression de contact et l?usure du fil.<br />Une simulation numérique de l?enlèvement de matière par des essais de rayure bidimensionnels a été réalisée. La concordance des ordres de grandeurs des constantes de vitesse d?usure obtenues par ce biais, par la simulation tribologique et par la déduction des mesures effectuées sur le procédé valide cette démarche. Elle a permis de dégager des orientations qui permettront de rendre la découpe plus performante en modifiant les abrasifs et le fluide.