Poudre de grains abrasifs

Domaine technique

La présente invention concerne une poudre de grains abrasifs, notamment destinée à l'usinage de lingots de silicium, un outil abrasif, et notamment un fil abrasif, comportant de tels grains, et un procédé de sciage d'un lingot mettant en œuvre une telle poudre ou un tel outil abrasif.

Etat de la technique Classiquement, la fabrication de galettes de silicium, appelées "wafers" en anglais, comporte une étape de sciage en tranches de lingots de silicium. A cet effet, les lingots de silicium sont poussés contre un fil abrasif tournant en boucle en se rechargeant en passant à travers d'une barbotine contenant des grains abrasifs en suspension.

Des procédés de sciage de lingots de silicium et des machines utilisables pour mettre en œuvre ces procédés sont notamment décrits dans US 2006/249134, US 5,937,844 ou WO 2005/095076.

Les galettes de silicium peuvent être destinées à des applications électroniques ou à la fabrication de cellules photovoltaïques. Notamment dans cette dernière application, il existe un besoin pour fabriquer des galettes de silicium d'une épaisseur réduite, de l'ordre de 200 μm, afin de limiter la quantité de silicium nécessaire pour produire un Watt.

Il existe également un besoin pour des vitesses de sciage élevées afin d'augmenter la productivité.

Ces contraintes de faible épaisseur et de vitesse de sciage élevée conduisent cependant à des taux de rebut insatisfaisants. En effet, une proportion importante des galettes fabriquées présente des variations d'épaisseur selon leur longueur, des déformations ou des défauts à leur surface. Certaines galettes présentent même des amorces de fissures ou sont brisées lors du sciage.

Des recherches ont donc été engagées afin d'améliorer les performances des barbotines utilisées. En particulier JP 10-180 608 préconise l'utilisation de grains abrasifs sous la forme de plaquettes présentant une épaisseur au plus égale au quart de leur longueur et de leur largeur.

JP 2003-041240 préconise une dispersion des tailles des grains resserrée autour de la taille médiane. JP 2003-041240 précise également que le rapport d'aspect moyen devrait être supérieur ou égal à 0,59. Les grains divulgués dans JP 2003-041240

permettraient de réduire les variations d'épaisseur le long des galettes fabriquées. JP 2003-041240 ne s'intéresse cependant pas à la forme des grains au sein d'une tranche granulométrique déterminée.

Un but de l'invention est de résoudre au moins partiellement un ou plusieurs des problèmes susmentionnés, et en particulier d'améliorer la productivité des procédés de fabrication de galettes de silicium.

Résumé de l'invention

Dans un premier mode de réalisation principal, l'invention propose une poudre de grains abrasifs, notamment destinée à l'usinage de lingots de silicium, ladite poudre étant telle que la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆ O comporte plus de 15% et moins de 80%, voire moins de 70%, ou moins de 50%, ou moins de 40%, en pourcentages volumiques, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85, les percentiles D ₄₀ et D ₆₀ étant les percentiles de la courbe de distribution granulométrique cumulée des tailles de grains de la poudre correspondant aux tailles de grains permettant de séparer les fractions de la poudre constituées des 40% et 60% en pourcentages volumiques, respectivement, des grains de la poudre présentant les plus grandes tailles.

Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, la performance de la poudre selon l'invention pour scier des lingots est particulièrement remarquable. Ce résultat est inexpliqué et surprenant.

D'abord parce que, lors d'une opération de sciage, ce sont les plus gros grains qui attaquent majoritairement le lingot à scier. L'homme du métier aurait donc été incité à favoriser l'allongement des grains pour les fractions granulométriques correspondant aux tailles de grains les plus grandes, sans imaginer que la présence d'une quantité importante de grains allongés dans des tranches granulométriques intermédiaires auraient pu améliorer les performances de la poudre.

Ensuite parce que les inventeurs ont découvert que, contrairement à l'enseignement de JP 10-180 608, la quantité de grains allongés dans ces fractions granulométriques intermédiaires doit être limitée. Un mélange de grains allongés et de grains arrondis permet avantageusement un bon empilement et un profil de répartition adapté des grains allongés, notamment dans une application à un outil abrasif, en particulier sur un fil de support. L'usure de l'outil abrasif est en outre plus homogène.

Dans un deuxième mode de réalisation principal, l'invention propose une poudre de grains abrasifs, notamment destinée à l'usinage de lingots de silicium, ladite poudre étant telle que le rapport du pourcentage volumique S(D ₄₀ -D ₆₀ ) de grains présentant une

circularité inférieure à 0,85 dans la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆ O divisé par le diamètre médian D ₅₀ , ou « rapport R _40-60 », est supérieur à 0,85 et inférieur à 3,5, de préférence inférieur à 2, voire inférieur à 1 ,5, la circularité et les percentiles étant tels que définies ci- dessus. Ce rapport peut être supérieur à 0,9, supérieur à 1 ,0, supérieur à 1 ,1 , supérieur à

1 ,2, voire supérieur à 1 ,3.

Une poudre de grains abrasifs selon le deuxième mode de réalisation principal de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques, nécessaires ou optionnelles, d'une poudre de grains abrasifs suivant le premier mode de réalisation principal.

Dans une troisième mode de réalisation principal, l'invention propose une poudre de grains abrasifs notamment destinée à l'usinage de lingots de silicium, ladite poudre étant telle que : 10% < δ ₃ -io-2 _θ < 60%, et/ou

15% < δ _10-20 - ₄₀ < 60%, et/ou 10% < δ ₂₀ - ₄₀ - ₆₀ < 30% et/ou 15% < A _40-6 O _-80 < 40%, et/ou 50%, « δ _n-m-p » étant le rapport (S(D _n -D _m )-S(D _m -D _p )) / S(D _m -D _p ) en pourcentage,

« S(D-D _j ) » étant le pourcentage volumique de grains présentant une circularité inférieure à 0,85 dans la fraction granulométrique D-D _j . Dans un mode de réalisation

10% < δ ₂₀ - ₄₀ - ₆₀ < 30%, et/ou 15% < A _40-6 O _-80 < 60%, voire A _40-6 O _-80 < 40% ; de préférence

10% < δ _20-40-60 < 30%, et

15% < A _40-60 -SO < 60%, voire A _40-6 O _-80 < 40%.

Dans un mode de réalisation

15% < A _10-2 O _-4 O < 60%, voire δ _10-20-40 < 50%,

Dans un mode de réalisation

15% < A _10-2 O _-40 < 60%, voire δ _1o-2 o- ₄ o ^< 50%, et 15% < A _40-6 O _-80 < 60%, voire A _40-6 Q _-80 < 40%.

Dans un mode de réalisation et 15% < δ ₁₀ - ₂₀ - ₄₀ < 60%, et et

15% < δ ₄ o- ₆ o- ₈ o < 4O%, et

δ _3- io- ₂ o peut être supérieur à 20%, voire supérieur à 25% et/ou inférieur à 40%, voire inférieur à 30%.

δ ₁ 0- ₂ 0- ₄ 0 peut être supérieur à 20%, supérieur à 25%, voire supérieur à 30% et/ou inférieur à 50%, voire inférieur à 40% ou inférieur à 35%.

δ ₂ 0- ₄ 0-60 peut être supérieur à 15%, voire supérieur à 20% et/ou inférieur à 25%. δ ₄ 0-60-80 peut être supérieur à 20% et/ou inférieur à 35%, voire inférieur à 30% ou inférieur à 25%.

δ ₆ o-8o-97 peut être supérieur à 25%, voire supérieur à 30% et/ou inférieur à 40%, voire inférieur à 35%.

De préférence, plusieurs de ces conditions sont satisfaites. De manière très significative, ces conditions permettent de limiter les variations de la proportion de grains allongés d'une fraction granulométrique à la suivante.

Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, les poudres de grains selon la technique antérieure présentent des proportions de grains allongés généralement faibles dans les fractions granulométriques correspondant aux grains les plus petits et qui augmentent très rapidement dans ces tranches granulométriques. Les inventeurs ont découvert qu'une croissance régulière, voire sensiblement linéaire, de la proportion de grains allongés d'une tranche granulométrique à l'autre permet d'améliorer les performances de la poudre de grains abrasifs, en particulier dans des applications de sciage de lingots de silicium.

Une poudre selon le troisième mode de réalisation principal de l'invention, peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques nécessaires ou optionnelles des poudres selon les premier et deuxième modes de réalisation principaux de l'invention.

Quel que soit le mode de réalisation principal considéré, une poudre de grains selon l'invention peut notamment encore présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes :

La fraction granulométrique D ₂ O-D ₄₀ peut comporter plus de 10% et/ou moins de 60%, moins de 50%, voire moins de 40%, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité (S) inférieure à 0,85.

La fraction granulométrique D ₂₀ -D ₄₀ et/ou la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆₀ peut comporter plus de 15%, plus de 20% et/ou moins de 35%, en pourcentages volumiques, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85.

La taille médiane D ₅₀ peut être inférieure à 60 μm, 30 μm ou 20 μm et/ou supérieure à 3 μm, supérieure à 5 μm, supérieure à 8 μm, supérieure à 12 μm, supérieure à 15 μm. La taille médiane D ₅₀ peut aussi inférieure à 12 μm. Dans ce dernier cas notamment, la fraction granulométrique D ₂₀ -D ₄₀ peut comporter plus de 15%, voire plus de 20%, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85.

Le matériau des grains abrasifs peut présenter une microdureté de type Vickers HV ₀₅ supérieure à 7 GPa. Cette microdureté peut être déterminée par une moyenne sur au moins 10 mesures d'empreintes réalisées avec une pointe diamant de base carrée et d'angle au sommet entre faces égal à 136° appliquée sur un échantillon de grains.

Les grains abrasifs peuvent notamment comporter plus de 95% de carbure de silicium SiC, en pourcentage massique.

Le rapport du pourcentage volumique S(D ₄₀ -D ₆₀ ) de grains présentant une circularité inférieure à 0,85 dans la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆₀ divisé par le diamètre médian D ₅₀ , ou « rapport R _40-60 », est supérieur à 0,85, supérieur à 0,9, supérieur à

1 ,0, supérieur à 1 ,1 , supérieur à 1 ,2, supérieur à 1 ,3 et/ou inférieur à 3,5 de préférence inférieur à 2, de préférence inférieur à 1 ,5.

Dans un mode de réalisation particulier, la taille médiane D ₅₀ est supérieure à

8 μm et la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆₀ comporte plus de 15 %, plus de 20 %, ou plus de 25 %, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85.

L'invention concerne également une barbotine comportant une poudre de grains abrasifs selon l'invention et un liant, en particulier un liant organique, apte à fixer lesdits grains sur un support, et en particulier sur un fil de support destiné au sciage de lingots, et notamment de lingots de silicium.

Cette fixation peut être rigide, ou au contraire, classiquement, laisser une possibilité de mobilité des grains les uns par rapport aux autres.

L'invention concerne encore un outil comportant des grains abrasifs selon l'invention fixés sur un support ou agglomérés les uns aux autres, notamment au moyen d'un liant. L'outil peut en particulier être un fil de support revêtu d'une barbotine selon l'invention, par exemple un fil abrasif destiné au sciage de lingots, et notamment de lingots de silicium.

L'invention concerne aussi un procédé d'usinage d'un lingot, et notamment un procédé de sciage d'un lingot au moyen d'un outil selon l'invention, et notamment d'un fil abrasif selon l'invention. Le lingot peut comporter plus de 50%, plus de 80%, plus de 90%, plus de 95%, plus de 99%, plus de 99,9%, voire 100% d'un constituant choisi parmi un matériau semi-conducteur, en particulier le silicium mono ou polycristallin, un arséniure, en particulier l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure d'indium (InP), un oxyde métallique, une ferrite. Le procédé peut être adapté pour obtenir, à l'issue du sciage, une galette d'une épaisseur inférieure à 200 μm, inférieure à 150 μm, voire inférieure ou égale à 100 μm.

L'invention concerne également une galette obtenue suivant un procédé d'usinage selon l'invention.

Définitions

- Par « grain », on entend un produit solide individualisé dans une poudre ou fixé sur un support.

- Par souci de clarté, on appelle ici "grain allongé " un grain présentant une circularité inférieure à 0,85, et "grain arrondi" un grain présentant une circularité supérieure ou égale à 0,85.

- On appelle « taille » D _p d'un grain la moyenne de sa plus grande dimension dM et de sa plus petite dimension dm : (dM+dm)/2.

- La « circularité » d'un grain est classiquement déterminée de la manière suivante : Les grains sont mis en suspension dans un fluide de manière à éviter toute floculation des grains, c'est-à-dire toute agglomération. Les inventeurs ont par exemple réalisé une suspension dans laquelle une poudre de SiC est dispersée dans de l'eau à l'aide de soude NaOH.

Une photographie de la suspension est prise et traitée au moyen d'un appareil de type SYSMEX FPIA 3000. Pour évaluer la circularité d'un grain, on détermine le périmètre

P _d du disque D présentant une aire égale à l'aire A _p du grain G sur la photographie (voir la figure 2). On détermine par ailleurs le périmètre P _p de ce grain. La circularité est égale au rapport de Pd/P _P . Plus le grain est de forme allongée, plus la circularité est faible. Le manuel d'utilisation du SYSMEX FPIA 3000 décrit également cette procédure (voir

« detailed spécification sheets » sur www.malvern.co.uk).

- On appelle classiquement « courbe de distribution granulométrique cumulée des tailles de grains de la poudre », la courbe de distribution granulométrique donnant :

- en ordonnées, des pourcentages tels qu'un pourcentage de p% représente la fraction de la poudre regroupant les p%, en volume, des grains présentant les tailles les plus grandes, et

- en abscisses, les tailles de grain D _p , D _p étant la plus petite taille de grains possible dans la fraction de la poudre représentée par le pourcentage p% en abscisses. Une telle courbe granulométrique peut être réalisée à l'aide d'un granulomètre laser.

Le dispositif SYSMEX FPIA 3000 permet avantageusement d'obtenir de telles courbes. On appelle classiquement « percentile » ou « centile » D _p la taille de grain (en abscisses sur la courbe susmentionnée) correspondant au pourcentage, en volume, de p % en abscisses. Par exemple, 10 %, en volume, des grains de la poudre ont une taille supérieure ou égale à D ₁₀ et 90 % des grains, en volume, ont une taille strictement inférieure à D ₁₀ .

On désigne par « D _p -D _q » la fraction granulométrique comprenant l'ensemble des grains présentant une taille supérieure ou égale à D _q et inférieure ou égale à D _p On désigne par « S(D _P -D _q ) » le pourcentage volumique de grains allongés dans la fraction granulométrique D _p -D _q .

On désigne par « δ _n-m-p » le rapport (S(D _n -D _m )-S(D _m -D _p )) / S(D _m -D _p ) en pourcentage. Par exemple δ _3-1O -2o = (S(D ₃ -D ₁ O)-S(D ₁₀ -D ₂₀ )) /S(D ₁₀ -D ₂₀ ). δ _n-m-p indique donc la croissance relative de la proportion de grains allongés de la fraction granulométrique D _n -D _m à la fraction granulométrique D _m -D _p .

Brève description de la figure

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin, dans lequel

- la figure 1 représente l'évolution, d'une fraction granulométrique à la suivante, de la proportion de grains allongés, pour différentes poudres testées, et

- la figure 2 illustre la méthode utilisée pour déterminer la circularité des grains.

Description détaillée

Procédé de fabrication Tous les procédés connus pour fabriquer des grains abrasifs peuvent être utilisés afin de fabriquer des grains arrondis et des grains allongés. Pour fabriquer des grains allongés, on peut notamment se référer à la description de JP 2003-041240.

En fonction de la proportion de grains allongés fabriqués, des étapes de classification, de tri, par exemple par tamisage, ou de mélange de différentes fractions granulométriques peuvent être nécessaires afin d'obtenir des proportions de grains allongés correspondant à celles d'une poudre selon l'invention.

Une poudre selon l'invention peut par exemple être fabriquée suivant un procédé comportant au moins les étapes suivantes : a) synthèse d'un corps massif, de préférence au moins millimétrique, c'est-à-dire dont toutes les dimensions dépassent au moins 1 mm, de préférence par réaction, notamment par carboréduction, par exemple par carboréduction de la silice afin de produire du carbure de silicium (SiC), frittage sous pression (« IP »), pressage isostatique à chaud (« HIP »), SPS (« Spark Plasma Sintering » ou frittage flash), ou encore par fusion, notamment par électrofusion. b) réduction éventuelle dudit corps massif en un ensemble de particules, éventuellement par concassage ; c) de préférence, sélection, par exemple par tamisage, des particules présentant une taille supérieure à la taille maximale des grains D ₀ ,5 de la poudre à fabriquer et, de préférence, sélection des particules présentant une taille au moins 2 fois supérieure à cette taille maximale et/ou inférieure à 4 fois cette taille maximale ; d) broyage du corps massif obtenu à l'étape a) ou des particules obtenues à l'étape b) ou à l'étape c), de préférence dans des conditions favorisant les contraintes de cisaillement, en particulier au moyen d'un broyeur à rouleaux ; e) le cas échéant, sélection de grains issus de l'étape d) et appartenant à des plages granulométriques déterminées de manière que la poudre obtenue soit conforme à l'invention ; f) optionnellement, déferrage afin d'éliminer les éventuelles particules magnétiques introduites lors du broyage réalisé à l'étape d) ;

g) optionnellement, traitement thermique ou chimique permettant l'élimination d'espèces chimiques indésirables, par exemple la silice ou un excès de carbone dans le cas d'une poudre de carbure de Silicium (SiC) ; h) optionnellement, vérification de la qualité de la poudre, de préférence par échantillonnage.

A l'étape a), l'objectif est de fabriquer des corps massifs présentant une résistance suffisante pour « éclater » lors du broyage. Autrement dit, il ne faut pas que les corps massifs préparés soient de simples agglomérations de grains susceptibles de s'effriter lors du broyage, un tel effritement ne permettant pas d'obtenir suffisamment de grains allongés pour une exploitation industrielle. Tous les procédés de synthèse sont envisageables, de simples essais permettant de rechercher les conditions les plus favorables.

A l'étape b), optionnelle, les corps massifs sont réduits, par exemple concassés, de façon à augmenter la quantité de particules susceptibles d'être sélectionnées lors de l'étape optionnelle c).

L'étape c), optionnelle, a pour objectif de garantir qu'après éclatement des particules introduites dans le broyeur, les grains obtenus en sortie du broyeur présenteront des tailles suffisantes pour que la poudre reste relativement grossière.

A cet effet, il est préférable que la taille minimale des corps massifs ou des particules entrant dans le broyeur soit au moins deux fois supérieure à la taille maximale des grains de la poudre à fabriquer.

A l'étape d), on utilise un broyeur favorisant les contraintes de cisaillement, de préférence un broyeur à rouleaux.

Les broyeurs par attrition ne sont pas adaptés pour fabriquer efficacement une quantité élevée de grains allongés.

Dans le cas d'un broyeur à rouleaux, l'écartement des rouleaux peut être réglé de manière que la poudre broyée soit une poudre selon l'invention.

Une étape supplémentaire e), optionnelle si la poudre obtenue à l'issue de l'étape d) est conforme à l'invention, peut être ensuite mise en œuvre afin de sélectionner les plages granulométriques préférées. Cette étape peut comprendre une classification, de préférence par élutriation, c'est-à-dire par séparation selon la densité par agitation dans de l'eau. Cette technique est en effet bien adaptée à la granulométrie fine des grains d'une poudre selon l'invention.

Une étape optionnelle f) peut également être mise en œuvre afin d'éliminer par déferrage les particules magnétiques notamment introduites lors de l'étape d). De préférence, cette étape est réalisée à l'aide d'un déferreur à haute intensité.

Le cas échéant, dans une étape ultérieure optionnelle h), la qualité de la poudre obtenue suite au broyage est vérifiée, de préférence par échantillonnage, par exemple au microscope, au microscope électronique à balayage ou par tout moyen connu permettant de contrôler la forme des grains.

A l'issue de ce procédé, on obtient une poudre selon l'invention.

Poudre

Quel que soit le mode de réalisation principal envisagé, une poudre de grains selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-après, dans la mesure où ces caractéristiques ne sont pas incompatibles avec ce mode de réalisation principal. Les grains abrasifs sont de préférence en un matériau présentant une microdureté Vickers HV ₀ , ₅ supérieure à 7 GPa.

La nature des grains abrasifs peut être notamment celle des grains abrasifs utilisés jusqu'à aujourd'hui comme matériaux de polissage ou de sciage. En particulier, les grains peuvent être en un matériau choisi dans le groupe constitué par le carbure de silicium, l'oxyde de cérium, le diamant, le nitrure de bore, l'alumine, la zircone, la silice et des combinaisons d'un ou plusieurs de ces matériaux. De tels grains abrasifs sont disponibles dans le commerce. A titre d'exemple, on peut citer le carbure de silicium GC™ (Green Silicon Carbide) et C™ (Black Silicon Carbide) fabriqués par FUJIMI Inc ou SIKA™ fabriqués par Saint-Gobain Materials à Lillesand en Norvège. Les poudres d'alumine peuvent être choisies par exemple parmi FO (Fujimi Optical Emery), A (Regular Fused Alumina), WA (White Fused Alumina) et PWA (Platelet Calcined Alumina) fabriquées par FUJIMI Inc.

Des grains de carbure de silicium sont particulièrement avantageux.

Dans un mode de réalisation préféré, les grains abrasifs comportent plus de 95% de carbure de silicium, en pourcentage massique. Les derniers 2,5% peuvent être des impuretés. Par « impuretés », on entend les constituants inévitables, introduits nécessairement avec les matières premières lors de la fabrication des grains. En particulier les composés faisant partie du groupe des oxydes, nitrures, oxynitrures, carbures, oxycarbures, carbonitrures et espèces métalliques de sodium et autres alcalins,

fer, vanadium et chrome sont généralement des impuretés. A titre d'exemples, on peut citer CaO, Fe ₂ O ₃ ou Na ₂ O.

Les grains de carbure de silicium présentent de préférence une densité supérieure à 3,0. De préférence, le carbure de silicium est cristallisé sous forme alpha. Dans un mode de réalisation, le percentile D ₂₀ est supérieur à 9 μm, supérieur à 1 1 μm, voire supérieur à 12 μm et/ou inférieur à 15 μm, inférieur à 14 μm, voire inférieur à 13 μm.

Le percentile D ₄₀ peut être supérieur à 10 μm, supérieur à 15 μm, voire supérieur à 18 μm ou supérieur à 20 μm et/ou être inférieur à 25 μm, voire inférieur à 23 μm, ou inférieur à 22 μm.

La taille médiane D ₅₀ peut être inférieure à 60 μm, inférieure à 50 μm, inférieure à 40 μm, inférieure à 30 μm, inférieure à 25 μm, inférieure à 20 μm et/ou supérieure à 1 μm, supérieure à 3 μm, supérieure à 5 μm, supérieure à 7 μm, supérieure à 10 μm, supérieure à 12 μm, supérieure à 15 μm, voire supérieure à 18 μm. Le percentile D ₆ o peut être supérieur à 8 μm, supérieur à 10 μm, supérieur à

14 μm, voire supérieur à 16 μm et/ou inférieur à 20 μm, ou inférieur à 19 μm, voire inférieur e 18 μm.

La fraction granulométrique D ₂₀ -D ₄₀ peut comporter plus de 12%, plus de 15%, plus de 17%, plus de 20%, plus de 23%, voire plus de 25%, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85.

La fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆₀ peut comporter plus de 17%, plus de 20%, plus de 23%, voire plus de 25%, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85.

Dans un mode de réalisation particulier, la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆₀ comporte plus de 17%, voire plus de 20%, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85 et la taille médiane est supérieure à 12 μm,

15 μm, voire 17 μm ou 18 μm.

Dans un mode de réalisation particulier, la fraction granulométrique D ₂₀ -D ₄₀ comporte plus de 15%, plus de 18%, voire plus de 20% ou plus de 21%, en pourcentage volumique, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85 et la taille médiane est inférieure à 12 μm, voire inférieure à 10 μm.

Dans un mode de réalisation, la fraction granulométrique D ₂₀ -D ₄₀ comporte plus de 5 %, voire plus de 6%, en pourcentages en nombre, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85.

Dans un mode de réalisation, la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆ O comporte plus de 5%, plus de 6%, voire plus de 7%, plus de 8%, plus de 10%, voire plus de 1 1 % et/ou moins de 20%, moins de 15%, moins de 13%, voire moins de 12%, en pourcentages en nombre, de grains présentant une circularité inférieure à 0,85. Cette caractéristique est notamment applicable à une poudre présentant une taille médiane D ₅₀ comprise entre 12 et 20 μm.

Cependant les inventeurs ont découvert que, contrairement à l'enseignement de JP 10-180 608, il n'est pas avantageux que l'ensemble des grains présente une forme allongée. En particulier, dans les fractions granulométriques D ₂₀ -D ₄₀ ou D ₄₀ -D ₆₀ , le pourcentage volumique de grains présentant une circularité inférieure à 0,85 et de préférence limité à 40%.

Le pourcentage volumique de ces grains dans les fractions granulométriques D ₂₀ -D ₄₀ et/ou D ₄₀ -D ₆₀ peut être inférieur à 35%, voire 30%, ou même 26%.

Le rapport du pourcentage volumique S(D ₄₀ -D ₆₀ ) de grains présentant une circularité inférieure à 0,85 dans la fraction granulométrique D ₄₀ -D ₆₀ sur le diamètre médian D ₅₀ , ou « rapport R _40-60 », peut être supérieur à 0,85 et inférieur à 2.

Lorsqu'ils sont utilisés sur un fil abrasif, ces grains permettent avantageusement de limiter la déformation et la tension du fil.

Ce rapport peut être supérieur à 0,9, supérieur à 1 ,0, supérieur à 1 ,1 , supérieur à 1 ,2, supérieur à 1 ,3, voire supérieur à 1 ,4.

Dans un mode de réalisation, ce rapport peut être inférieur à 1 ,4.

Barbotine

Une poudre selon l'invention peut notamment être utilisée pour fabriquer une barbotine.

Une barbotine comporte classiquement une poudre de grains abrasifs en suspension dans un liant liquide ou pâteux. Le liant peut notamment être un liant organique. Le liant comporte généralement de l'eau, un matériau de base et un ou plusieurs additifs. La quantité d'eau est de préférence comprise entre 10 et 75% en masse par rapport à la masse de la barbotine.

Le matériau de base peut être choisi parmi les hydroxydes de métaux alcalins, comme l'hydroxyde de lithium, l'hydroxyde de sodium et l'hydroxyde de potassium, les hydroxydes d'alcalino-terreux, tels que l'hydroxyde de magnésium, l'hydroxyde de calcium et l'hydroxyde de baryum, et des combinaisons de ces différents matériaux. La teneur de

ce matériau de base est classiquement comprise entre 3,5% et 20% en masse par rapport à la masse totale liquide de la barbotine.

Parmi les additifs, on utilise généralement au moins un lubrifiant. Un lubrifiant peut être notamment choisi parmi le polyéthylène glycol, le benzotriazol, l'acide oléique et des mélanges de ces derniers. Un lubrifiant peut être par exemple du Rikamultinole fabriqué par la société Rikashokai ou le Lunacoolant fabriqué par Daichikagaku. La teneur en lubrifiant est de préférence comprise entre 0 et 50% en masse par rapport à la masse de la barbotine.

La barbotine peut être fabriquée en mélangeant simplement les matières premières susmentionnées. Un procédé de fabrication d'une barbotine est notamment décrit dans US 2006/0 249 134.

Outils

Pour le sciage de lingots de silicium, la barbotine est classiquement disposée sur un fil de support présentant par exemple une épaisseur comprise entre 0,06 mm et 0,25 mm.

Le fil de support peut notamment être constitué en acier dur ou en un alliage tel qu'un alliage nickel chrome ou un alliage fer nickel ou en un métal présentant un point de fusion élevé tel que le tungstène ou le molybdène ou être en fibre de polyamide.

Procédé d'usinage

Suivant un procédé classique de sciage, comme expliqué en introduction, un fil abrasif, guidé par des galets, tourne en boucle en passant à travers une barbotine afin de se recharger en grains abrasifs. Il frotte sur un lingot à scier, typiquement de l'ordre de 200 mm de longueur et diamètre, de manière à découper une tranche, ou « galette », de ce lingot.

Le lingot peut en particulier être un lingot de silicium polycristallin de pureté supérieure à 99,99% en masse.

Suivant un mode de réalisation du procédé d'usinage selon l'invention, la galette est sciée de manière à présenter une épaisseur inférieure à 200 μm, inférieure à 180 μm, inférieure à 150 μm, inférieure à 130 μm, inférieure à 120 μm, voire inférieure à 100 μm.

Essais Différents mélanges de grains de carbure de silicium ont été testés.

Le tableau 1 suivant donne les valeurs des différents percentiles de ces différents mélanges.

Tableau 1

Le tableau 2 fournit, pour ces mélanges, le pourcentage volumique de grains allongés S% dans les différentes tranches granulométriques.

Tableau 2

Le tableau 3 fournit, pour les mélanges testés, le pourcentage en nombre de grains allongés N% dans certaines tranches granulométriques.

Tableau 3

Les exemples de référence Réf. 1 , Réf. 2, Réf. 3, Réf. 5 sont des mélanges commercialisés par le Société Saint-Gobain Materials sous la marque SIKA et avec les références F500, F600, F800 et F1000, respectivement.

Des barbotines ont ensuite été préparées à partir de ces différentes poudres, d'une manière similaire à celle de l'exemple décrit dans JP 2003-041240. La proportion était de 1 Kg de SiC pour 1 L de polyéthylène glycol de type PEG, de masse moléculaire

200. Les barbotines ont ensuite été utilisées afin de scier un lingot de silicium, suivant le protocole décrit dans l'exemple de JP 2003-041240.

La vitesse d'usinage du lingot de silicium par le fil abrasif (qui frotte sur le lingot dans un plan perpendiculaire à la direction de l'avancement du lingot de silicium), c'est-à-dire le nombre de lingots sciés par unité de temps, a été mesurée, chaque fois dans les mêmes conditions.

Les vitesses obtenues avec des barbotines fabriquées à partir des poudres 1 ,

2 et 3 ont été comparés aux vitesses obtenues avec des barbotines fabriquées à partir de poudres abrasives "Réf. 1", "Réf. 2", et "Réf. 3", respectivement, qui sont de même nature

et présentent sensiblement les mêmes tailles médianes que les poudres 1 , 2 et 3, respectivement. Le rapport entre la vitesse obtenue avec les barbotines 1 , 2, 3 et la vitesse obtenue avec les barbotines "Réf. 1", "Réf. 2" et "Réf. 3", appelé "gain G' ", permet notamment de mesurer l'impact de la distribution granulométrique particulière des poudres selon l'invention à taille médiane sensiblement constante.

Le gain G' pour les exemples « Réf. 4 » et « Réf. 5 » correspondent à des comparaisons avec les résultats obtenus avec l'exemple « Réf. 3. »

Le rapport R, égal à S% divisé par la taille médiane D ₅₀ , a été calculé.

Résultats

Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 4 suivant

référence pour l'exemple qui le précède dans le tableau. Pour l'exemple « Réf. 5 », l'exemple de référence est l'exemple « Réf. 3 ».

Les résultats obtenus montrent que, pour des tailles médianes D ₅₀ supérieures à 8 μm, les poudres de grains selon l'invention conduisent à des performances très nettement supérieures à celles obtenues avec des poudres de référence comparables. Une poudre selon l'invention permet ainsi une vitesse de sciage élevée, c'est-à-dire une bonne productivité, mais aussi la fabrication de galettes, notamment de silicium, d'une épaisseur très fine, et notamment inférieure à 180 μm, voire inférieure à 150 μm, voire de l'ordre de 100 μm, avec un taux de rebut faible.

La poudre de l'exemple 1 est considérée comme préférée entre toutes, la vitesse de sciage étant maximale pour cet exemple.

Les poudres présentant des tailles médianes D ₅₀ inférieures à 8 μm, les performances sont plus faibles.

Par ailleurs, les distributions des grains allongés dans les différentes fractions granulométriques des poudres testées ont été comparées. Si la proportion de grains allongés évolue dans le même sens lorsque l'on passe d'une tranche granulométrique à la suivante, les inventeurs ont constaté, comme le montre le tableau 5 ci-dessous, que cette évolution est beaucoup plus régulière avec les poudres selon l'invention.

Tableau 5

La figure 1 permet de visualiser ces résultats sous forme d'un graphique. II apparaît que les poudres selon l'invention présentent des variations dans la teneur en grains allongés plus faibles, en valeurs absolues, que les autres poudres, dans les tranches granulométriques intermédiaires, et en particulier pour les valeurs de δ ₂ o- ₄ o-6o- De manière remarquable, δ ₂ 0- ₄ 0-60 est en particulier toujours inférieur à 30%, voire inférieur à 25%. Les variations de δ ₄ 0-60-80 des poudres selon l'invention sont toutes comprises entre 24% et 32%.

Les variations de δ _1o-2 o- ₄ o des poudres selon l'invention sont toutes comprises entre 16% et 49%.

Comme cela apparaît clairement à présent, l'invention fournit une poudre de grains particulièrement performante comme poudre abrasive, en particulier pour découper des galettes de silicium. Avec une poudre selon l'invention, il est ainsi notamment possible de fabriquer des cellules photovoltaïques présentant un rendement entre la

quantité d'énergie électrique générée et la quantité de silicium utilisée particulièrement intéressant.

Bien entendu, l'invention n'est cependant pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus, fournis à titre d'exemples illustratifs.

En particulier, une poudre de grains selon l'invention pourrait être utilisée dans d'autres applications qu'un fil abrasif. Elle pourrait notamment être utilisée pour fabriquer d'autres outils de sciage ou, plus généralement, d'autres outils d'usinage.