Tranches de silicium

Rédacteur: Edouard Huguelet

>> La technique des systèmes de production d'électricité par le procédé photovoltaïque explose littéralement. Et en amont de cette technique, nous trouvons les machines spéciales qui débitent les lingots de silicium en fins wafers.

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Bobine de fil de découpage pour machine B5. (Image: Applied Materials)
Bobine de fil de découpage pour machine B5. (Image: Applied Materials)

Un article intitulé «En amont des microcircuits» avait paru dans les pages du MSM-12/2001 (édition de décembre 2001). Il présentait les activités de l'entreprise HCT Shaping Systems SA établie à Cheseaux s/Lausanne, développant et produisant des machines spéciales pour le découpage de disques (wafers) à partir de lingots de silicium, pour la réalisation de microcircuits électroniques. Actuellement cette société est partie intégrante du groupe industriel «Applied Materials» basé à Santa Clara (Californie), devenant Applied Materials Switzerland SA. La technique des machines est toujours la même, mais le marché s'est pratiquement entièrement orienté vers la réalisation d'équipements destinés à la production de wafers en silicium monocristallin ou polycristallin pour la production de cellules photovoltaïques. Le site de Cheseaux s/Lausanne constitue un centre de production et de développement important du groupe Applied Materials.

Détenteur d'une maîtrise en ingénierie mécanique de l'Université de Stanford en Californie après des études d'ingénieur mécanicien à l'Université de Boston, Romain Beau de Loménie est actuellement directeur mondial du management de produits du groupe Applied Materials. La rédaction du MSM l'a rencontré sur le site de développement et de production de Cheseaux-sur-Lausanne.

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MSM: Pourriez-vous présenter les activités de votre entreprise?

Romain Beau de Loménie: Applied Materials est l'acteur principal au niveau mondial dans le domaine des équipements, logiciels et prestations de services pour l'industrie des semi-conducteurs, des écrans plats et du photovoltaïque solaire. En ce qui concerne le site de développement et de production de Cheseaux-sur-Lausanne, nous développons, construisons et commercialisons des machines-outils bien spécifiques, à savoir des équipements pour la fabrication de disques de silicium, à partir de lingots monocristallins et polycristallins. Ces disques de silicium (wafers) sont destinés ensuite à la fabrication de cellules photovoltaïques entrant dans la réalisation de panneaux solaires.

Quel est le principe de fonctionnement de ces machines?

R. Beau de Loménie: Il est toujours inchangé depuis la création du procédé de base par Charles Hauser, en 1984. Les lingots de silicium, près avoir été mis en forme, sont débités en fines tranches d'épaisseur précise et à état de surface miroir, au moyen d'une scie multi-fils. En l'occurrence, l'outil de découpage est un fil d'acier continu très fin bobiné autour de rouleaux de guidage à gorges, formant de la sorte un dense réseau appelé trame. La coupe est assurée par un bain abrasif (des particules extradures en suspension dans un medium fluide appelé «slurry»). Ces fils d'acier, qui ne servent qu'une seule fois, peuvent mesurer jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres. D'un seul coup, des milliers de wafers sont ainsi débités à partir d'une «brique». On pourrait arguer que le système est simple comme... le fil à couper le beurre! En réalité ces machines sont très complexes et le défi réside surtout dans le détail: la machine doit tenir constamment compte des paramètres importants que sont le diamètre du fil de coupe, la vitesse de coupe et la superficie totale de coupe. Ce qui fait que paradoxalement ces machines sont conçues de façon très rigide et précise. Des systèmes d'entraînement puissants déplacent le porte-rouleau à une vitesse de 10 à 20 mètres par seconde. Le lingot (brique) de silicium est poussé au travers de la trame, produisant ainsi toute une série de plaquettes simultanément. Mais avant de passer dans la machine de découpe, les lingots bruts sont préalablement usinés dans un «Cropper», à savoir une machine qui découpe la tête et la queue des lingots de silicium bruts de fonderie. Les lingots passent ensuite dans une autre machine appelé «Squarer», qui découpe le contour des lingots de silicium afin d'obtenir des éléments de forme générale rectangulaire appelée «briques», aptes à être découpés sur la machine multi-fils. Les plus récentes machines découpent jusqu'à 4 briques simultanément à partir d'un lingot. Donc, nous produisons trois modèles de machines, utilisant tous le procédé de découpage à fils: le Cropper, le Squarer et le Multi. Cette dernière est une machine appelée B5. Les trois modèles confondus, plus de 2000 machines ont été fabriquées par l'entreprise de Cheseaux entre 1983 et 2011. Le rythme de production s'accroît d'ailleurs: 1000 machines vendues entre 2009 et 2011. Actuellement, la moitié de la production est constituée de machines de type B5.

On a toujours tendance à estimer que l'électricité issue du photovoltaïque est très coûteuse. Est-ce dû à l'investissement que représente les machines de découpage du silicium?

R. Beau de Loménie: Il y a plusieurs phases dans la production de systèmes de génération d'électricité par le procédé photovoltaïque. En amont, nous avons l'extraction et le traitement du minerai de silicium, notamment la fonderie. Je rappelle en passant que le silicium est l'élément chimique le plus commun dans l'écorce terrestre. C'est ensuite que nous intervenons. En aval, d'autres équipements réalisent le dopage et la structuration des motifs. En gros, la moitié du coût total d'un module photovoltaïque fini est consacrée à la fabrication des wafers bruts. Actuellement le marché du photovoltaïque est en pleine expansion, certes mais il dépend encore beaucoup des subsides gouvernementaux, ce qui constitue une situation provisoire. En améliorant d'une part la rentabilité des systèmes de production et sachant aussi d'autre part que le coût de l'énergie fossile est en constante augmentation, nous parviendrons à moyen terme à une parité des modes de production et l'électricité d'origine photovoltaïque, non seulement deviendra concurrentielle, mais se prévaudra ses atouts indéniables en termes d'écologie.

Comment peut-on encore abaisser les coûts de la production de wafers?

R. Beau de Loménie: Il s'agit de pouvoir scier plus rapidement, avec moins de pertes de matière et un minimum de temps morts pour les machines. Il faut notamment éviter les rupture du fil, synonymes d'interruption de la production. Actuellement les fils sont en acier et l'abrasif est apporté par le slurry. Sur les Squarers, nous utilisons déjà des fils structurés, qui accroissent la productivité de 70%. Mais ces machines utilisent des fils relativement épais. Pour les machines qui découpent les wafers, le défi majeur est constitué par la gestion du tamis en fil structuré, de très faible section. Une piste d'avenir est constituée par le fil diamanté, qui permettrait un accroissement notable des vitesses de coupe. En laboratoire, une machine de type Squarer (donc pour la découpe de briques) équipée de fil diamanté a déjà permis d'atteindre une vitesse de coupe de 4000 µm/min., sans devoir utiliser de slurry. Les premiers essais sur une machine de découpe des wafers (modèle B5) ont abouti à des résultats encourageants, en tout cas pour le silicium monocristallin. Deuxième voie pour aboutir à une économie: prévoir des cellules en silicium polycristallin plutôt qu'en silicium monocristallin. L'économie en termes de matériau de base est certes spectaculaire, mais le rendement de ces cellules est nettement inférieur, donc les panneaux doivent avoir une surface plus importante, comportant également un plus grand nombre de connexions. L'économie est donc discutable. Fait important pour les utilisateurs de machines HCT existantes, le passage du fil lisse au fil structuré ou diamanté ne nécessitera pas l'achat d'une nouvelle machine, mais se fera par une simple mise à niveau matérielle, l'investissement de base étant préservé.

Pourriez-vous décrire pour nos lecteurs le principe du sciage à fil?

R. Beau de Loménie: En fait, dans l'absolu, cette technique n'est pas nouvelle, puisque les Egyptiens de l'antiquité utilisaient déjà des cordes enduites d'un mélange d'eau et de sable pour débiter des blocs de pierre. Dans nos machines, un fil enduit de fluide simultanément abrasif et réfrigérant (appelé slurry) agit sur le silicium débite progressivement la brique en disques fins (les wafers). Les machines actuelles utilisent un fil d'acier extrêmement fin, dont le diamètre se situe entre 110 µm et 140 µm, soit un peu plus d'un dixième de millimètre. Les wafers sont également très minces: l'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant descendre rapidement à 180 puis 150 microns, diminuant ainsi non seulement la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix. Actuellement, la solution utilisée sur nos machines B5 est considérée universellement comme étant la technique la plus performante pour la découpe précise des wafers en silicium pour l'industrie photovoltaïque. <<

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