[发明专利]从废弃的晶片锯切浆回收硅和碳化硅的方法和设备

说明书

本发明申请是申请日为2009年4月10日、申请号为200980117876.1(相应国际申请号为PCT/US2009/040261)、发明名称为“从废弃的晶片锯切浆回收硅和碳化硅的方法和设备”的中国专利发明申请的分案申请。

交叉引用

本申请要求2008年4月11日提交的美国临时申请第61/044,342号和2009年1月28日提交的美国临时申请第61/148,033号的优先权，本文通过引用将其完整引入。

发明领域

本发明涉及在微电子(ME)和光伏(PV)工业中从晶片切割或锯切操作过程中产生的废弃的浆液回收硅和含硅化合物的方法和系统。本发明涉及可以产生多种有用的产品(包括高纯度或增加纯度的颗粒硅产品)的方法和系统。该产品(例如，高纯度或增加纯度的颗粒硅产品)可以适于多晶锭铸或替代电子级硅(EG-Si)用于PV应用中的单晶生产，和/或用于高效单晶太阳能电池中。其他产品可以包括精细碳化硅研磨粉和在晶片锯切过程中再利用的相关载体液体。

发明背景

由于包括高油价和政府解决如全球变暖的环境问题的政策等因素，对于光伏(PV)电池形式的太阳能收集系统的市场需求在全球正以每年超过25％的速度增长。PV的主要基质材料是硅，其占目前安装的商用设备的大约90％。但是，硅基PV价值链中的一个严重缺点在于晶片切割过程中存在大约40-50％的硅损失。这种情况也存在于互联微电子(ME)硅价值链中。

用于开发PV电池的现有方法是多步的增值活动链，其将基础硅转变为产生电的装置。通过各步骤，硅被精制并成形，以使得其能够置于太阳能电池中。然而，该价值链并非没有低效活动。在硅锭被锯切成薄晶片的关键步骤中，大约有40％的原始硅锭最终作为使用聚乙二醇(PEG200)中的SiC粉进行的最普遍的钢丝锯切技术产生的废弃的(或消耗的)锯切浆。

来自晶片切割过程的废弃的浆产物一般由液相中的非常细的固体颗粒组成。该固体颗粒是不规则形的，且主要由15至20微米有效直径的碳化硅组成。其余的颗粒来自钢丝锯切和硅晶片。钢颗粒可能与碳化硅颗粒缔合，且有效直径一般小于2-4微米。硅颗粒一般与碳化硅分离，且颗粒大小为1-2微米。在线锯切操作过程中，碳化硅原料稍有磨损，并随时间形成5-10微米范围的较小颗粒。

因此，尽管当今用于PV产业的原料硅存在短缺(这推动其价格朝向电子级硅(EG-Si)的水平上升)，但为ME和PV工业生产的所有硅的大约一半成为垃圾。

虽然在这一步骤中损失的硅颗粒与原始硅锭具有相同的纯度，但不存在商业上可行的技术来回收和再利用这种硅。现有技术的这种发展水平的主要原因是废弃的浆液可能是0.1至30微米范围的极微小颗粒的非常复杂的胶体混合物——硅部分的有效直径小于大约2-5微米(与细菌的大小相当)。从该混合物物理分离这些硅颗粒的尝试受到阻止达到原始硅锭纯度的线锯切颗粒杂质(主要是铁、铜和锌)的严重阻碍。即使可能通过物理方法从浆液完全除去线锯切颗粒，剩余的超细硅粉的处理是危险的(由于潜在的粉尘爆炸)，且很难使用常规熔炉技术熔化。

这种市场需求对于PV产业的整体经济效益的影响是重大的。已有资料清楚地表明，太阳能产业自从2005年以来已经遭受主要的硅原料短缺的影响(Travis Bradford，Polysilicon：Supply，Demand＆Implications for the PV Industry，″Greentech InDetail，(2008年6月25日)[普罗米修斯研究所(Prometheus Institute)]，第24页)。在过去4年中，在这段时间内生产的＞100,000吨的硅中超过40％由于无法回收多晶硅而被丢弃。关键PV电池的构件块的这种低效率使用在2005-2008年期间造成了太阳能产业的至少20亿美元的累计经济损失(在2005-2008期间，用于PV的多晶硅的平均产量是2万5千吨/年，平均合同价格是$50/kg)。而且，鉴于硅原料成本占PV电池的总成本的几乎20％(Bradford，Polysilicon：Supply，Demand&Implications for the PV Industry，，Greentech InDetail，(2008年6月25日)[普罗米修斯研究所(Prometheus Institute)]，第29页)，丢弃大约40％的原料已经是阻止太阳能电池的电网平价(grid-parity)和更广泛采用的经济上的重要因素。