TW201446316A

TW201446316A - 自矽泥中回收切割液的方法及其回收系統

Info

Publication number: TW201446316A
Application number: TW102119576A
Authority: TW
Inventors: Tzu-Hsuan Tsai; Yu-Pei Shih; Ta-Wui Cheng; Ching-Shan Lin; Wen-Ching Hsu
Original assignee: Sino American Silicon Prod Inc; Global Wafers Co Ltd; Univ Nat Taipei Technology
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2014-12-16
Also published as: TWI481441B

Abstract

本發明揭示一種自矽泥中回收切割液的方法，包括以下之步驟：首先，將一晶圓切割製程之矽泥稀釋成一混合溶液，所述混合溶液具有第一固含量；接著，對所述混合溶液進行固液分離，以得到一液態混合物及一固態混合物，其中所述液態混合物具有第二固含量；之後，添加一電解質於所述液態混合物中，待一預定時間後所述液態混合物即分離成不互溶的切割液相及水相；及最後，將所述切割液取出。採用本發明回收切割液的方法，能快速且有效地回收切割液而無須使用到高耗能且昂貴的設備，同時降低矽晶圓之製造成本。

Description

自矽泥中回收切割液的方法及其回收系統

本發明是有關於一種晶圓切割製程之矽泥之處理方法，特別是指一種自矽泥中回收切割液的方法及其回收系統。

按，矽晶圓是一種常用於積體電路產業或太陽能產業的基底材料。通常晶錠(ingot)在生長完成後，會經過切割、圓邊、研磨及拋光等步驟，以製成積體電路產業或太陽能產業所需的矽晶圓(wafer)。

目前，晶錠多是以鋸線切割形成矽晶圓；為了降低矽晶圓表面產生缺陷及矽晶圓破裂的機率，晶錠在切割過程中會使用具潤滑及冷卻效果的切割液來降低機械應力及熱應力所造成的損害；另外，所述切割液對高硬度之碳化矽顆粒具有良好的分散性，可進一步提升晶錠切割製程的良率。一般來說，晶圓用切割液多採用水溶性二醇類，其中聚合物型切割液由於性質穩定、有更好的潤滑及冷卻效果，故倍受重視，例如：聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)、環氧乙烷(Ethylene oxide)-環氧丙烷(Propylene oxide)的共聚物或為聚烯烴基二醇(Polyalkylene glycol，PAG)等聚二醇類溶液。

就現今的技術水平來說，每生產1 MW的太陽能級矽晶片大概需要消耗10至14噸的切割液；且在晶錠切割後，大量切割液、破碎的碳化矽顆粒、切削損失的矽及鋸線金屬等物質混合後會形成泥漿狀的矽泥，使得晶圓製造產業必須面對大量待處理的矽泥，不僅污染環境、佔用空間、浪費資源，更違背了太陽能電池作為綠色能源的精神。

事實上，這類聚二醇類溶液雖然混合了其他固體顆粒而呈泥漿狀，其性質仍十分穩定且具有極高的回收價值，隨著矽晶圓的需求量大增，切割液的價格亦隨之攀升，因而各廠家爭相研發相關回收流程或方法，以利切割液之回收再利用。惟，傳統方法中，多半是對矽泥進行多次過濾，最終分離出切割液與固體微粒；然而矽泥的黏度甚高，需使用高馬力的抽氣幫浦，不僅費時且處理成本高，更甚者，還會造成濾材損壞。

另外，傳統方法還有先添加穩定劑或降黏劑於矽泥中，接著分離出矽泥中的固體微粒，最後利用蒸餾製程回收切割液；然而蒸餾製程的高溫不但容易使得切割液氧化變質，還需使用高耗能且昂貴的抽氣減壓裝置外，更存在有降黏劑的去除速率緩慢及回收後切割液的含水率不易控制等問題。此外，傳統方法也有初步分離出矽泥中的液態混合物，再利用加熱的方式回收切割液；同樣地，此種回收方式需使用到高耗能的加熱裝置。

是以，如何降低矽晶圓的製作成本與減少矽泥對環境造成的污染，以及如何由矽泥中取得能夠回收再利用的切割液、矽與碳化矽，是本領域的技術人員亟欲達成的目標。

本發明之主要目的，在於提供一種低汙染、低耗能、製程簡單快速且回收率高之自矽泥中回收切割液的方法及其回收系統，藉以降低矽晶圓之製作成本，以及減少矽晶圓切割廢料對環境造成的影響。

為達上面所描述的目的，本發明提供一種自矽泥中回收切割液的方法，包括以下步驟：首先，將一晶圓切割製程之矽泥稀釋成一混合溶液，所述混合溶液具有第一固含量；接著，對所述混合溶液進行固液分離，以得到一液態混合物及一固態混合物，其中所述液態混合物具有第二固含量；之後，添加一電解質於所述液態混合物中，待一預定時間後所述液態混合物即分離成不互溶的切割液相及水相；及最後，將所述切割液取出。

在本發明之一實施例中，所述電解質係選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀或其群組。

在本發明之一實施例中，所述電解質的添加濃度至少大於0.5 M。

在本發明之一實施例中，所述第一固含量介於10~15 wt%之間，所述第二固含量小於5 g/L。

在本發明之一實施例中，在所述將所述切割液取出的步驟之後，更包括進行一減壓蒸餾製程。

在本發明之一實施例中，所述預定時間為10至30分鐘。

在本發明之一實施例中，所述混合溶液係以離心分離法、壓濾分離法、沉降分離法、膜過濾法或傾析分析法進行固液分離。

本發明另提供一種運用上面所描述的自矽泥中回收切割液的方法之回收系統，包括一攪拌槽、一固液分離器及一分相槽，其中所述固液分離器連接於所述攪拌槽，用以容置一液態混合物，並添加一電解質使該液態混合物分成切割液相與水相，而所述分相槽連接於所述固液分離器。

在本發明之一實施例中，更包括一減壓蒸餾裝置，所述減壓蒸餾裝置與所述分相槽相連接，用以降低所述切割液相之含水率。

在本發明之一實施例中，更包括一精濾單元，所述精濾單元與所述固液分離器相連接，適於在所述固態混合物中分選出大粒徑顆粒與小粒徑顆粒。

本發明至少具有下列的優點：本發明之自矽泥中回收切割液的方法透過添加電解質於液態混合物中，僅需靜置10~30分鐘即可分離出大量的水，以完全回收聚二醇類切割液並再利用，整體製程簡單快速、低汙染且回收率高。再者，本發明的方法中所有步驟皆不需要使用如抽氣、蒸餾及加熱等高耗能且昂貴的設備，可大幅降低耗能及矽晶圓的製造成本。

以上關於本發明內容的說明以及以下實施方式的說明係用以舉例並解釋本發明的原理，並且提供本發明之專利申請範圍進一步的解釋。

10‧‧‧攪拌槽

20‧‧‧固液分離器

30‧‧‧精濾單元

40‧‧‧分相槽

50‧‧‧減壓蒸餾裝置

S12至S18‧‧‧流程步驟

圖1為本發明之回收系統之方塊圖。

圖2為本發明之自矽泥中回收切割液的方法之流程圖。

本發明主要揭露一種自矽泥中回收切割液的方法及回收系統，可將晶圓切割製程之矽泥中的切割液回收再利用，所述之「矽泥」包含液體與固體兩大部分。其中，液體部分為聚二醇類切割液，例如是聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)、環氧乙烷(Ethylene oxide)-環氧丙烷(Propylene oxide)的共聚物或為聚烯烴基二醇(Polyalkylene glycol，PAG)；固體部分則包括研磨顆粒(如碳化矽顆粒)、切削損失的多晶矽或單晶矽顆粒及鋸線金屬等物質，在實施例中，矽泥中的固含量約為700 g/L。

請參考圖1，為本發明一較佳實施例之自矽泥中回收切割液的方法之流程圖。本實施例的方法包括一稀釋步驟S12、一固液分離步驟S14及一加電解質分相步驟S16。以下，將配合圖2所示之回收系統之示意圖，詳細說明各步驟的具體內容，熟習此項技藝者可由本揭露書之內容輕易了解本發明之優點和功效，並在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本發明的方法。

首先，執行稀釋步驟S12，係將一晶圓切割製程之矽泥稀釋成一混合溶液，且所述混合溶液具有第一固含量。具體而言，因為矽泥的黏度甚高，為了降低黏度以增加後續固液分離之效率，本實施例係將矽泥置入一攪拌槽10中，持續加入稀釋劑並攪拌，直到矽泥的黏度降低至一定程度，從而形成一帶有低黏度之混合溶液。

值得注意的是，本實施例使用的稀釋劑主要為水，但不限制於此。另外，本步驟用做稀釋的水量須能調整混合溶液的第一固含量到介於10~15 wt%之間，以同時兼顧固液分離之效率及製程速度。舉例來說，混合溶液的第一固含量愈低則固液分離效率愈好，但因攪拌槽10的容積限制，所得到的具第一固含量之混合溶液量較少，從而欲回收之切割液量愈大，執行稀釋步驟S12的次數愈頻繁，影響整體製程速率。

接著，執行固液分離步驟S14，對所述混合溶液進行固液分離，以得到一液態混合物及一固態混合物，其中所述液態混合物具有第二固含量。具體而言，步驟S12所得到的混合溶液可利用離心分離、壓濾分離、沉降分離、膜過濾或傾析分析等方式對低黏度之混合溶液進行固液分離；在本實施例中，係經由固液分離器20以離心分離的方式分離出矽泥中的固體(固態混合物)及液體(液態混合物)兩大部分，但不限制於此。其中所述液態混合物的第二固含量至少小於5g/L，本發明欲回收之切割液即存在於本步驟所分離出的液態混合物。

進一步言，由步驟S14所分離出的固態混合物(包含碳化矽、矽及鋸線金屬例如鐵等)可另外經由精濾單元30進行分選，以進一步分選出富經濟價值的碳化矽。所述精濾單元30例如是水旋風分離器(cyclone)，其係一種利用混合物中各顆粒的尺寸、密度等細微特性之差異，使混合物於水旋風分離器之腔體中受到不同的作用力，例如：離心力、向心浮力、流體曳力等，而產生分離的效果。

其中，欲分離的混合物會從水旋風分離器的入料口通入該腔體，使欲分離的混合物經過高速與切線的離心沉降作用後，大顆粒的物質會被甩向水力旋流器之腔壁，並且沿著水力旋流器之腔壁下滑，從水力旋流器的底流口排出；而小顆粒的物質則被向上抽吸，從水力旋流器的溢流口排出，藉以達到分離的效果。

之後，執行加電解質分相步驟S16，添加一電解質於所述液態混合物中，待一預定時間後所述液態混合物即分離成不互溶的切割液相及水相。在本實施例中，係將由步驟S14所分離出的液態混合物(包含水及聚二醇類切割液)置入一分相槽40中，添加之電解質可選用氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀或上述之化合物所組成群組的其中之一，且添加濃度需至少大於0.5 M，以達到較佳的分相效果。補充說明的是，若添加酸類電解質，例如鹽酸、硫酸、硝酸或其組合，因能參與聚醇類的反應，故無法達到分相功能。

據此，於靜置10分鐘之後即可觀察到一明顯的分相界面(聚二醇類切割液與水之間的界面)，靜置時間愈久則分相界面愈明顯，待靜置30分鐘後即可完全回收聚二醇類切割液。其原理在於，電解質會破壞聚二醇類切割液與水間之氫鍵，使得聚二醇類切割液於水中的溶解度下降，進而發生分相分離。

在一變化實施例中，在取出聚二醇類切割液後，可進一步執行一減壓蒸餾步驟S18，藉減壓蒸餾裝置50以去除聚二醇類切割液含有的微量水(約佔1~5 wt%)，以提升回收之聚二醇類切割液的品質。

為了完成自矽泥中回收切割液的方法中的所有步驟，本發明另提供一種回收系統，包括一攪拌槽10、一固液分離器20、一精濾單元30、一分相槽40及一減壓蒸餾裝置50。其中，固液分離器 20連接於攪拌槽10，精濾單元30與固液分離器20相連接，適於在固態混合物中分選出大粒徑顆粒與小粒徑顆粒，而分相槽40亦連接於固液分離器20，減壓蒸餾裝置50與分相槽40相連接，用以進一步降低聚二醇類切割液之含水率。

綜上所述，相較於傳統的回收方法，本發明至少具有下列之優點：

1、本發明之自矽泥中回收切割液的方法透過添加電解質於液態混合物中，僅需靜置10~30分鐘即可分離出大量的水，以完全回收聚二醇類切割液並再利用，整體製程簡單快速、低汙染、含水量少且回收率高。

2、再者，本發明的方法中所有步驟皆不需要使用如抽氣、蒸餾及加熱等高耗能且昂貴的設備，可減少耗能且可大幅降低矽晶圓的製造成本。

3、此外，本發明的方法在回收聚二醇類切割液的過程中不會產生酸價上升問題，因此所回收的切割液的穩定性高。

本發明實已符合發明專利之要件，依法提出申請。惟以上所揭露者，僅為本發明較佳實施例而已，自不能以此限定本案的權利範圍，因此依本案申請範圍所做的均等變化或修飾，仍屬本案所涵蓋的範圍。

S12至S18‧‧‧流程步驟

Claims

一種自矽泥中回收切割液的方法，包括以下之步驟：將一晶圓切割製程之矽泥稀釋成一混合溶液，所述混合廢液具有第一固含量；對所述混合溶液進行固液分離，以得到一液態混合物及一固態混合物，其中所述液態混合物具有第二固含量；添加一電解質於所述液態混合物中，待一預定時間後所述液態混合物即分離成不互溶的切割液相及水相；及將所述切割液取出。
如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法，其中所述電解質係選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀或其群組。
如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法，所述電解質的添加濃度至少大於0.5 M。
如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法，其中所述第一固含量介於10~15 wt%之間，所述第二固含量小於5 g/L。
如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法，其中在所述將所述切割液取出的步驟之後，更包括進行一減壓蒸餾製程。
如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法，其中所述預定時間為10至30分鐘。
如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法，其中所述混合溶液係以離心分離法、壓濾分離法、沉降分離法、膜過濾法或傾析分析法進行固液分離。
一種運用如請求項1所述之自矽泥中回收切割液的方法之回收系統，包括：一攪拌槽；一固液分離器，係連接於所述攪拌槽；及一分相槽，係連接於所述固液分離器，用以容置一液態混合物，並添加一電解質使該液態混合物分成切割液相與水相。
如請求項8所述之回收系統，更包括一減壓蒸餾裝置，所述減壓蒸餾裝置與所述分相槽相連接，用以降低所述切割液相之含水率。
如請求項9所述之回收系統，更包括一精濾單元，所述精濾單元與所述固液分離器相連接，適於在所述固態混合物中分選出大粒徑顆粒與小粒徑顆粒。