Brevet FR3095771A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : SUPPORT SACRIFICIEL EN MATERIAU POLYMERE BIODEGRADABLE POUR DECOUPER UNE PIECE AU FIL A ABRASIF Domaine technique 100011 La présente invention se rapporte au domaine général de la découpe ou sciage par ni à abrasifs, et plus particulièrement au domaine de la découpe par fil diamanté. 100021 L'invention concerne un support sacrificiel pour la découpe d'une pièce par fil à abrasi fs. 100031 L'invention concerne également un procédé de découpe au fil à abrasif mettant en oeuvre un tel support ainsi qu'un procédé de recyclage d'un mélange de poudres issu d'un tel procédé de découpe. 100041 L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, et notamment pour la fabrication de cellules photovoltaïques puisqu'elle permet d'obtenir des tranches fines de substrats (appelés « plaquettes » ou plus généralement « wafers » en anglais), par exemple en silicium cristallin. 100051 L'invention est particulièrement intéressante puisqu'elle permet d'obtenir des poudres de silicium (« kerf »), issues de la découpe au ni à abrasifs, ayant un très haut degré de pureté sans augmenter les coûts d'élaboration. Technique antérieure [0006] Actuellement, dans le domaine des cellules photovoltaïques, 90 à 95% des tranches fines de silicium monocristallin sont découpées par la technique de sciage au fil à abrasif (notamment. au fil diamanté) à partir de briques de silicium. [0007] La brique de silicium est positionnée sur un support dit sacrificiel et la découpe est réalisée en présence d'un fluide de découpe contenant un lubrifiant qui limite l'échauffement de la brique de silicium et/ou du fil. [0008] La découpe des briques résulte d'un mouvement longitudinal du fil diamanté, le plus souvent alternatif (inversion périodique de sens). [0009] Classiquement, pour réaliser cette opération, le fil à abrasif est enroulé plusieurs centaines de fois, voire plusieurs milliers de fois, autour dc guides cylindriques rotatifs rainurés qui déterminent l'écartement entre les passes, de manière à former une nappe de fils. Pour les applications photovoltaïques, l'écartement entre les passes est de 150 à 300 im, afin d'obtenir des plaquettes de silicium d'environ 180 mn d'épaisseur. [0010] Chaque coupe met en oeuvre un fil de plusieurs centaines de mètres, voire de plusieurs kilomètres, qui effectue des allers-retours dans la brique à découper avec un faible renouvellement à chaque cycle (de l'ordre de 1 à 3% au maximum). Ac- 2 tuellement, le sciage d'un bloc de silicium de 156 mm de côté nécessite de 2 à 3 heures et une consommation équivalente de 0,5 à 5 mètres par tranche de silicium découpée. [0011] Lors des découpes, une importante quantité de poudre de silicium (appelée « kerf ») est entraînée par le liquide et y reste en suspension. A titre illustratif, pour une découpe d'une brique de silicium de 600mm de longueur en tranches de 156 x 156 mm et de 180 Fim d'épaisseur avec un fil 80 pm, 12 kg de copeaux de silicium seront présents dans le liquide en fin de coupe, soit une concentration de l'ordre de 5% en masse dans le liquide. On estime qu'environ 36 % du silicium est perdu lors de la découpe. [0012] Après la coupe, ce liquide chargé de poudres de silicium est traité comme un déchet industriel. Classiquement, la poudre de silicium est récupérée par filtration et/ou centrifugation. La poudre extraite peut ensuite être valorisée, par exemple en la recristallisant. Afin d'adresser le marché photovoltaïque, la pureté de la poudre de silicium issue du sciage doit être la plus élevée possible. [0013] Cependant, la poudre de silicium issue du procédé de découpe est contaminée par des éléments métalliques mais aussi par des éléments légers, tels que le carbone et l'oxygène, rédhibitoires pour une future cristallisation. [0014] La contamination en éléments métalliques provient du support de découpe. La plupart des supports de découpe comprennent une résine polymère chargée de particules le plus souvent en alumine (A120:1). Afin de limiter cette contamination, une solution consiste à découper une pièce en silicium sur un support contenant du silicium ou étant en silicium (EP3424663 Al). [0015] La contamination en C et 0 peut provenir du lubrifiant ajouté au liquide de découpe. Dans ce cas, ces éléments légers se retrouvent sous forme greffés et sont facilement éliminés par un rinçage, une attaque chimique simple (HC1) et/ou encore un traitement thermique. [0016] La contamination en C et 0 peut également provenir de la résine polymère formant le support de découpe. Cette dernière contamination est très difficile à éliminer car la plupart des résines ne se dégradent pas, même dans des solutions acides. Pour éviter cette contamination, une solution serait d'arrêter la centrifugation ou tout autre système de filtration pour récolter la poudre en ligne juste avant que le fil n'entame le support. Mais cette solution n'est pas très pratique dans un environnement industriel puisque, généralement, de nombreuses machines fonctionnent simultanément et utilisent un système centralisé d'alimentation en liquide de coupe. La gestion de l'arrêt de la filtration sur plusieurs équipements pour éviter la contamination du liquide de coupe « propre » par un liquide de coupe « contaminé » serait donc très difficile à réaliser, voire pratiquement impossible à faire. Exposé de l'invention 3 [0017] Un but de la présente invention est de proposer un support sacrificiel à la découpe par fil abrasif permettant de limiter voire de supprimer la contamination des poudres issues du procédé de découpe afin de les recycler. [0018] Pour cela, la présente invention propose un support sacrificiel pour découper au fil à abrasif une pièce, de préférence en silicium, le support sacrificiel étant en un matériau polymère biodégradable soluble dans un solvant. [0019] L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par l'utilisation d'un support sacrificiel en un matériau polymère biodégradable soluble dans un solvant. Avec un tel support, la contamination des poudres issues de la découpe est considérablement réduite par rapport aux procédés de l'art antérieur et il est ainsi facile de les recycler. Par ailleurs, le nettoyage et/ou le décollement des galettes découpées du support sacrificiel est facilité puisqu'il suffit de dissoudre partiellement ou totalement le substrat de support, dans un solvant approprié. [0020] Par polymère biodégradable, on entend un matériau polymère susceptible de subir une dégradation par action enzymatique des micro-organismes, en dioxyde de carbone, composés inorganiques, nouvelle biomasse et eau (en présence d'oxygène) ou méthane (en absence d'oxygène), selon la norme EN NF 13432. [0021] Par soluble, on entend que le matériau polymère présente une fraction soluble su- périeure à 10% en poids, et de préférence supérieure à 25% en poids et encore plus préférentiellement supérieure à 50% en poids, dans un solvant donné et à une température donnée (avantageusement, fixée à une température choisie dans la gamme allant de 5°C à 80°C), pour une durée inférieure à 2h, par exemple inférieure à lh, et de préférence inférieure à 30 minutes. Le matériau polymère peut être totalement soluble dans un solvant donné (i.e. avoir une fraction soluble de 100 %). [0022] Selon une première variante de réalisation avantageuse, le matériau polymère biodé- gradable est un polymère de synthèse (matériau dit `bio-polymère'). [0023] Avantageusement, le matériau polymère biodégradable de synthèse est du PVA ou du PLA. [0024] Selon une deuxième variante de réalisation avantageuse, le matériau polymère biodé- gradable est un polymère naturel (matériau dit 'agro-polymère'), tel qu'un oligosaccharide ou un polysaccharide. [0025] Avantageusement, le matériau polymère biodégradable est hydrosoluble. [0026] Selon d'autres variantes de réalisation avantageuses, le matériau polymère biodé- gradable peut être soluble dans un alcool et/ou une cétone. 11 peut être également soluble dans un solvant dit vert tel que le glycérol ou les esters d'acide gras. [0027] Avantageusement, le support sacrificiel comprend des poudres dispersées de manière homogène ou inhomogène. On choisira, avantageusement, des poudres en un même matériau que la pièce qui va être découpée sur le support sacrificiel. 11 s'agit, avanta- geusement, de poudres de silicium recyclé. Ceci permet de recycler les poudres (`Icerf) tout en limitant la contamination de la pièce à découper. [0028] Avantageusement, le support sacrificiel comporte des canaux longitudinaux de passage d'un liquide de nettoyage. Il est ainsi possible de faire passer des buses d'aspersion de liquide de nettoyage à l'intérieur des canaux longitudinaux de passage, ce qui permet l'écoulement du liquide entre chaque plaquette et donc conduit à une meilleure propreté. [0029] Avantageusement, le support sacrificiel comporte des rainures, de fixation mécanique à une plaque, notamment une plaque en acier. Le maintien mécanique du support sacrificiel à la plaque est ainsi amélioré par rapport à un simple collage, et les phénomènes de décollement du support à la plaque d'acier sont évités. [0030] Avantageusement, le support sacrificiel est poreux. On choisira une porosité telle que le support sacrificiel peut supporter mécaniquement la pièce à découper tout en limitant la quantité de matière utilisée. De plus, la cinétique de dissolution d'un tel matériau sera plus rapide que celle d'un matériau non poreux, ce qui représente un gain de temps considérable pour un procédé mis en oeuvre à grande échelle. [0031] L'invention concerne l'utilisation d'un support tel que défini précédemment pour découper au fil à abrasif une pièce à découper de préférence en silicium. [0032] L'invention concerne également un procédé de découpe d'une pièce en un premier matériau au fil abrasif comprenant les étapes successives suivantes : - Fixation d'une pièce à découper, en un premier matériau, de préférence en silicium, sur un support sacrificiel en un matériau polymère biodégradable soluble dans un solvant, tel que défini précédemment, - Découpe de la pièce au fil à abrasif, de préférence au fil diamanté, la découpe étant réalisée jusqu'à entailler le support sacrificiel, moyennant quoi on obtient une tranche fine en un premier matériau et un mélange comprenant des premières particules en premier matériau et des deuxièmes particules en matériau polymère biodégradable. [0033] Le procédé de découpe avec un tel support est simple à mettre en oeuvre et utilise un support en matériau polymère biodégradable. Même si des particules en matériau polymère biodégradable se déposent sur les galettes découpées, elles sont facilement éliminées par dissolution dans un solvant, par exemple un liquide de rinçage, tel que de l'eau ou un alcool, à une température pouvant aller de 5°C à 80°C et de préférence, elles sont éliminées à température ambiante. [0034] L'invention concerne également un procédé de recyclage d'un mélange de particules issu d'un procédé de découpe au fil à abrasif comprenant les étapes successives suivantes : - Fourniture d'un mélange comprenant des premières particules en un premier matériau (dites particules d'intérêt) et des deuxièmes particules en matériau polymère biodégradable soluble dans un solvant, obtenu selon le procédé de découpe tel que défini précédemment, - Ajout au mélange du solvant, apte à dissoudre les deuxièmes particules en matériau biodégradable, moyennant quoi on obtient une phase solide formée des premières particules en premier matériau et une phase liquide comprenant le solvant dans lequel est dissous le matériau polymère biodégradable, - Séparation dc la phase solide dc la phase liquide, notamment par une étape de centrifugation ou de filtration, moyennant quoi on obtient une poudre de particules en premier matériau. Avantageusement, le solvant est de l'eau. [0035] Avantageusement, le solvant est à une température allant de 5°C à 80°C. [0036] Avantageusement, le procédé comporte une étape ultérieure au cours de laquelle la poudre de particules en premier matériau est cristallisée, par exemple sous la forme d'un lingot. Le lingot peut ensuite être découpé au fil à abrasif pour former de nouvelles galettes. [0037] Les particules en matériau polymère biodégradable sont facilement éliminées par dis- solution dans un solvant. Avantageusement, il s'agit du liquide de rinçage. A l'issue du procédé de recyclage, le matériau polymère dissout peut être dc nouveau solidifié et réutilisé pour former un nouveau support sacrificiel. La solidification peut être réalisée dans un fluide dit non solvant (i.e. dans lequel le matériau polymère n'est pas soluble) et/ou en abaissant la température. [0038] Le procédé de recyclage des particules d'intérêt est intéressant économiquement. Le coût du recyclage est relativement faible, les rendements sont élevés, et il ne nécessite pas l'utilisation de produits chimiques dangereux et donc de traiter les effluents issus du procédé de recyclage. Le procédé produit très peu de déchets. [0039] Avec un tel procédé, il est facile de purifier la poudre d'intérêt, par exemple en silicium. La poudre obtenue est de meilleure qualité et peut être réutilisée pour fabriquer de nouveaux lingots de silicium. Ceci n'est pas possible avec une poudre de silicium contaminée par des éléments tels que C et 0 puisque cela conduit à la formation de carbure de silicium et d'oxyde de silicium lors de la fusion du silicium. [0040] La poudre récupérée à l'issue de ce procédé de recyclage présente une pureté élevée par rapport aux impuretés métalliques (typiquement une pureté d'au moins 99,99%) et une faible teneur en carbone et en oxygène (typiquement [C] REVENDICATIONS[Revendication 1] Support sacrificiel (10) pour découper au fil (20) à abrasif une pièce (30), de préférence en silicium, caractérisé en ce que le support sacrificiel (10) est en un matériau polymère biodégradable (11) soluble dans un solvant. [Revendication 2] Support sacrificiel (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau polymère biodégradable (11) est un polymère de synthèse, tel que du PVA ou du PLA. [Revendication 3] Support sacrificiel (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau polymère biodégradable (11) est un polymère naturel, tel qu'un oligosaccharide. [Revendication 4] Support sacrificiel (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau polymère biodégradable (11) est hydrosoluble. [Revendication 5] Support sacrificiel (10) selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comprend des poudres (12), de préférence en un même matériau que la pièce à découper au fil à abrasif. [Revendication 6] Support sacrificiel (10) selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des canaux longitudinaux (13) de passage d'un liquide de nettoyage. [Revendication 7] Support sacrificiel (10) selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des rainures (14), de fixation mécanique à une plaque (50), notamment une plaque en acier. [Revendication 8] Support sacrificiel (10) selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le support sacrificiel (10) est poreux. [Revendication 9] Utilisation d'un support sacrificiel (10) tel que défini dans l'une des re- vendications 1 à 8 pour découper au fil (20) à abrasif une pièce (30) de préférence en silicium. [Revendication 10] Procédé de découpe d'une pièce (30) en un premier matériau au fil (20) à abrasif comprenant les étapes successives suivantes : - Fixation d'une pièce (30) à découper, en un premier matériau, de préférence en silicium, sur un support sacrificiel (10) en un matériau polymère biodégradable (11) soluble dans un solvant, tel que défini dans l'une des revendications 1 à 8, - Découpe de la pièce (30) au fil (20) à abrasif, de préférence au fil diamanté, la découpe étant réalisée jusqu'à entailler le support sacrificiel (30), moyennant quoi on obtient une tranche fine en premier matériau et un mélange comprenant des premières particules en premier matériau et 15 [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] [Revendication 15] des deuxièmes particules en matériau polymère biodégradable. Procédé de recyclage d'un mélange de particules issu d'un procédé de découpe au fil (20) à abrasif comprenant les étapes successives suivantes : - Fourniture d'un mélange comprenant des premières particules en un premier matériau et des deuxièmes particules en un matériau polymère biodégradable soluble dans un solvant, obtenu selon le procédé de découpe tel que défini dans la revendication 10, - Ajout au mélange du solvant apte à dissoudre les deuxièmes particules en matériau biodégradable, moyennant quoi on obtient une phase solide formée des premières particules en premier matériau et une phase liquide comprenant le solvant dans lequel est dissous le matériau polymère biodégradable, - Séparation de la phase solide de la phase liquide, notamment par une étape de centrifugation ou de filtration, moyennant quoi on obtient une poudre de particules en premier matériau. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le solvant est de l'eau. Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le solvant est à une température allant de 5°C à 80°C. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape ultérieure au cours de laquelle la poudre de particules en premier matériau est cristallisée, par exemple sous la forme d'un lingot. Procédé de fabrication d'un support sacrificiel (10) tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant une étape au cours laquelle le matériau polymère biodégradable est mis en forme par impression 3D ou par moulage.