[發(fā)明專利]從廢棄的晶片鋸切漿回收硅和碳化硅的方法和設(shè)備

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980117876.1
• 申請(qǐng)日: 2009-04-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102067277A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·A·法拉沃利塔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 伊奧西爾能源公司
• 主分類號(hào): H01L21/00
• 分類號(hào): H01L21/00;H01L21/02;H01L21/301;H01L31/042
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 陳文平;徐志明

交叉引用

本申請(qǐng)要求2008年4月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/044,342號(hào)和2009年1月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/148,033號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文通過(guò)引用將其完整引入。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及在微電子(ME)和光伏(PV)工業(yè)中從晶片切割或鋸切操作過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄的漿液回收硅和含硅化合物的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明涉及可以產(chǎn)生多種有用的產(chǎn)品(包括高純度或增加純度的顆粒硅產(chǎn)品)的方法和系統(tǒng)。該產(chǎn)品(例如，高純度或增加純度的顆粒硅產(chǎn)品)可以適于多晶錠鑄或替代電子級(jí)硅(EG-Si)用于PV應(yīng)用中的單晶生產(chǎn)，和/或用于高效單晶太陽(yáng)能電池中。其他產(chǎn)品可以包括精細(xì)碳化硅研磨粉和在晶片鋸切過(guò)程中再利用的相關(guān)載體液體。

發(fā)明背景

由于包括高油價(jià)和政府解決如全球變暖的環(huán)境問(wèn)題的政策等因素，對(duì)于光伏(PV)電池形式的太陽(yáng)能收集系統(tǒng)的市場(chǎng)需求在全球正以每年超過(guò)25％的速度增長(zhǎng)。PV的主要基質(zhì)材料是硅，其占目前安裝的商用設(shè)備的大約90％。但是，硅基PV價(jià)值鏈中的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)在于晶片切割過(guò)程中存在大約40-50％的硅損失。這種情況也存在于互聯(lián)微電子(ME)硅價(jià)值鏈中。

用于開(kāi)發(fā)PV電池的現(xiàn)有方法是多步的增值活動(dòng)鏈，其將基礎(chǔ)硅轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生電的裝置。通過(guò)各步驟，硅被精制并成形，以使得其能夠置于太陽(yáng)能電池中。然而，該價(jià)值鏈并非沒(méi)有低效活動(dòng)。在硅錠被鋸切成薄晶片的關(guān)鍵步驟中，大約有40％的原始硅錠最終作為使用聚乙二醇(PEG?200)中的SiC粉進(jìn)行的最普遍的鋼絲鋸切技術(shù)產(chǎn)生的廢棄的(或消耗的)鋸切漿。

來(lái)自晶片切割過(guò)程的廢棄的漿產(chǎn)物一般由液相中的非常細(xì)的固體顆粒組成。該固體顆粒是不規(guī)則形的，且主要由15至20微米有效直徑的碳化硅組成。其余的顆粒來(lái)自鋼絲鋸切和硅晶片。鋼顆粒可能與碳化硅顆粒締合，且有效直徑一般小于2-4微米。硅顆粒一般與碳化硅分離，且顆粒大小為1-2微米。在線鋸切操作過(guò)程中，碳化硅原料稍有磨損，并隨時(shí)間形成5-10微米范圍的較小顆粒。

因此，盡管當(dāng)今用于PV產(chǎn)業(yè)的原料硅存在短缺(這推動(dòng)其價(jià)格朝向電子級(jí)硅(EG-Si)的水平上升)，但為ME和PV工業(yè)生產(chǎn)的所有硅的大約一半成為垃圾。

雖然在這一步驟中損失的硅顆粒與原始硅錠具有相同的純度，但不存在商業(yè)上可行的技術(shù)來(lái)回收和再利用這種硅。現(xiàn)有技術(shù)的這種發(fā)展水平的主要原因是廢棄的漿液可能是0.1至30微米范圍的極微小顆粒的非常復(fù)雜的膠體混合物——硅部分的有效直徑小于大約2-5微米(與細(xì)菌的大小相當(dāng))。從該混合物物理分離這些硅顆粒的嘗試受到阻止達(dá)到原始硅錠純度的線鋸切顆粒雜質(zhì)(主要是鐵、銅和鋅)的嚴(yán)重阻礙。即使可能通過(guò)物理方法從漿液完全除去線鋸切顆粒，剩余的超細(xì)硅粉的處理是危險(xiǎn)的(由于潛在的粉塵爆炸)，且很難使用常規(guī)熔爐技術(shù)熔化。

這種市場(chǎng)需求對(duì)于PV產(chǎn)業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益的影響是重大的。已有資料清楚地表明，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)自從2005年以來(lái)已經(jīng)遭受主要的硅原料短缺的影響(Travis?Bradford，″Polysilicon：Supply，Demand?&?Implicationsfor?the?PV?Industry，″Greentech?InDetail，(2008年6月25日)[普羅米修斯研究所(Prometheus?Institute)]，第24頁(yè))。在過(guò)去4年中，在這段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的＞100,000噸的硅中超過(guò)40％由于無(wú)法回收多晶硅而被丟棄。關(guān)鍵PV電池的構(gòu)件塊的這種低效率使用在2005-2008年期間造成了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的至少20億美元的累計(jì)經(jīng)濟(jì)損失(在2005-2008期間，用于PV的多晶硅的平均產(chǎn)量是2萬(wàn)5千噸/年，平均合同價(jià)格是$50/kg)。而且，鑒于硅原料成本占PV電池的總成本的幾乎20％(Bradford，″Polysilicon：Supply，Demand?&?Implications?for?the?PV?Industry，″，″Greentech?InDetail，(2008年6月25日)[普羅米修斯研究所(PrometheusInstitute)]，第29頁(yè))，丟棄大約40％的原料已經(jīng)是阻止太陽(yáng)能電池的電網(wǎng)平價(jià)(grid-parity)和更廣泛采用的經(jīng)濟(jì)上的重要因素。