TW201516005A

TW201516005A - 清潔汙染碳化矽粒子的方法與系統

Info

Publication number: TW201516005A
Application number: TW103136566A
Authority: TW
Inventors: Wee-Meng Chua; Jan Hindersland
Original assignee: Metallkraft As
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-05-01
Also published as: CN105764620A; SG11201603186PA; WO2015059521A1; EP3060357A1

Abstract

本發明關於一種清潔汙染碳化矽(SiC)粒子的方法與系統，尤指當SiC粒子用於切或割開太陽能電池與電子物件的矽晶圓用的切割介質懸浮液(常稱為切割細泥廢料(spent sawing sludge))之後，藉由除去黏附在汙染SiC粒子上的微細粒子而清潔該等汙染SiC粒子。

Description

清潔汙染碳化矽粒子的方法與系統

當切割薄矽片(一般稱為“晶圓”)時，將特定砂礫大小(如FEPA類別F500、F600、以及F800)的碳化矽(SiC)粒子分散在有機液體中形成懸浮液，作為切割介質之用。最常見的分散劑為有機乙二醇液體，如聚乙二醇(polyethylene glycol)或一縮二丙二醇(di-propylene glycol)。有時會在懸浮液中加入界面活性劑，用以降低表面張力。

通常利用表面具有黃銅的薄硬鐵線的線切割器進行切割，其將矽(Si)塊切成一系列薄晶圓，而切割所致的粒子懸浮在含SiC的懸浮液中。在切割製程中，懸浮液會受到來自Si塊的Si、來自切割線的鐵(Fe)、以及研磨顆粒裂解所致的SiC微粒(即微細粒子)所汙染。

一般而言，該等Si晶圓係用以製造電子或微電子元件，或用以製造太陽能面板以產生電力。對這些Si晶圓乾淨度的要求基本上很高，實際上只能使用無Si無Fe的懸浮液。另外，必須精準要求粒徑分布，以得到平滑的Si晶圓表面。切割用的SiC粒子落在一個很窄的顆粒尺寸範圍內，亦即最大與最小粒子的尺寸間必須幾無差異或盡可能小。

在使用一段時間之後，切割懸浮液會被SiC微粒、Si與Fe粒子所污染，因此必須換新的懸浮液。此外，SiC粒子的粒徑分布會超出所欲的窄範圍之外。當棄置於特定的垃圾掩埋場時會有乙二醇漏進環境中的風險。另外一個選擇是燃燒該廢棄切割懸浮液，將液相和固體粒子一起燒掉。當乙二醇燃燒還原成二氧化碳和水時，該等固體粒子會形成含重金屬的灰燼，因而產生另一個環境問題。

因此從資源、成本與環境等觀點，需要發展出可從懸浮液中移除並回收SiC微粒、Si與Fe粒子的非化學方法。SiC微粒的回收，在例如太陽能電池的製程中，亦代表總能量消耗的降低。回收同時意味著相對於無清潔程序下的SiC的生產與含碳化物懸浮液的燃燒或棄置於特定垃圾掩埋場相關問題而言，較低的環境衝擊。

一個經濟實惠的方法代表它應該有高回收率回收組件再利用，且帶有Fe、Si與SiC微粒汙染的廢棄物應該要可以作為有用資源加以再利用，例如用以生產鐵和鋼、鐵合金、或耐火材料。這反過來暗示回收方法應朝此方向設計，以高產率回收有機分散試劑、重複用於Si晶圓的切割。

FEPA F500、F600以及F800微砂礫一般用於Si晶圓的切割。重要的是SiC顆粒要符合標準，才能得到好的結果。傳統實務上會以大量水稀釋粒子與聚乙二醇或一縮二丙二醇的懸浮液，並在沉澱容器(settling vessel)中處理懸浮液。此方法係利用SiC粒子的直徑比汙染物SiC微粒、Si與Fe粒子大的事實。

嚴格要求粒徑在窄的限制範圍內會導致產率低。因此需要在SiC微粒、Si與Fe的更小粒子達到所欲顆粒尺寸SiC的沉澱相前中斷該沉澱程序。在沉澱容器中所得的SiC沉澱粒子透過已知方法加以乾燥與篩選。需要利用以乙二醇為主經水高度稀釋的分散劑來增加沉澱的速度，其使得該分散劑難以有經濟與生態兼顧的回收方法。

在一個研究中，若利用標準SiC懸浮液粒子的直接沉澱，沉澱99%的最細粒子會花上一年。因此根據此原理的分離在例如Si晶圓的工業生產上不符經濟效益。

因此，對於清潔切割細泥廢料中的汙染SiC粒子的替代方法與系統仍有其需求。

本案的第一方面提供一種藉由除去黏附在汙染SiC粒子上的微細粒子而清潔汙染碳化矽(SiC)粒子的方法。

該方法包括將汙染SiC粒子饋給到一氣流粉碎機(jet mill)中，以得到一分散粉末。

該方法可另外包括將該分散粉末進料到一分級機系統，以得到淨化的SiC粒子。該分級機系統可包括超過一個分級機。

在本案的第二方面提供一種藉由除去黏附在汙染SiC粒子上的微細粒子而清潔汙染碳化矽(SiC)粒子的系統。

該系統包括一氣流粉碎機。

該系統可另外包括一分級機系統。該分級機系統可包括超過一個分級機。

10‧‧‧污染的SiC

12‧‧‧氣流粉碎機

14‧‧‧第一分級機

16‧‧‧第二分級機

18‧‧‧第三分級機

20‧‧‧回收的SiC

在圖式中，類似的參考標號通常在不同視圖中代表相同的部件。該等圖式一般不一定按照尺寸比例，而主要是為了展示不同實施例背後的原理。在後續說明中，各種不同發明實施例係參考以下圖式加以說明。

圖1顯示本發明方法與系統的流程。

圖2A顯示圖1系統第一分級機所得細份的粒徑分布。

圖2B顯示圖1系統第二分級機所得細份的粒徑分布。

圖2C顯示圖1系統第三分級機所得細份的粒徑分布。

圖3A顯示矽晶圓切割前新SiC粒子的SEM(1000x放大)。

圖3B顯示矽晶圓切割後汙染SiC粒子的SEM(1000x放大)。

圖3C顯示本案方法所得清潔後SiC粒子的SEM(1000x放大)。

圖4A顯示矽晶圓切割前新SiC粒子的SEM(2000x放大)。

圖4B顯示矽晶圓切割後汙染SiC粒子的SEM(2000x放大)。

圖4C顯示本案方法所得清潔後SiC粒子的SEM(2000x放大)。

以下細節說明係參考如附圖式為之，其利用圖式的繪示表現出實施本發明的細節與實施例。這些實施例的詳細說明足以使熟習此技藝之人士實施本發明。亦可使用其他實施例進行結構、邏輯、以及電子上的變化，仍不脫本發明的範圍。這些變化實施例並不一定要互斥，有些實施例可和一或多個其他實施例組合成為新的實施例。

以下揭露一種清潔汙染碳化矽(SiC)粒子的方法與系統，此處的碳化矽粒子係用於切或割開太陽能電池與電子物件的矽晶圓用的切割介質懸浮液(常稱為切割細泥廢料(spent sawing sludge))。該等汙染的SiC粒子係藉由除去黏附在用於切割懸浮液後被汙染的SiC粒子上的微細粒子而加以清潔。有利的是該方法可藉由將較小粒子(例如但不限於鐵(Fe)、矽(Si)與SiC微粒)從SiC粒子中移除而回收窄顆粒尺寸範圍的SiC。該方法與系統可以有效益的成本應用在工業規模，同時對環境的負面影響降至最低。

在本文中，可達成FEPA(歐洲模料模具生產聯合會；Federation of European Producers of Abrasives)微砂礫標準內的SiC回收粒子。FEPA是這些種類材料必須符合的國際標準。相關的標準是FEPA標準42-6B 1984,R 1993。(附帶一提，ISO 6344-3 1968，第3部”微砂礫F230到F1200顆粒尺寸分布的測定(Determination of grain size distribution of microgrits F230 to F1200)”也有相同的定義。)

藉由一般的分類，最小的粒子會以個別顆粒存在，可利用製程參數的方便選擇和較大粒子分離。然而，關於這些SiC粒子，在從用過的懸浮液中移除並回收分散劑之後，小粒子會黏附在較大顆粒(例如一般用於矽晶圓切割的F500、F600或F800 SiC顆粒)上。

因此，在本案的第一方面，提供一藉由除去黏附在汙染SiC粒子上的微細粒子而清潔汙染碳化矽(SiC)粒子的方法。該方法以及實施該方法的對應系統的大致流程繪示於圖1中。

矽晶圓切割所使用的含SiC懸浮液根據現有技術過濾，以將固體流與液體流分離。攪拌下加熱該固體流，使該汙染的SiC粒子基本上形成乾粉末。根據已知技術另外回收該液體流。

接著將包括SiC、Si(矽)與Fe(鐵)的乾燥汙染SiC粒子(10)進給到一氣流粉碎機(12)中，以得到一分散粉末。在此過程中，利用壓縮的空氣研磨並分散任何結塊的粉末。研磨結塊的粉末而不壓碎SiC顆粒。然後利用一組轉子將分散的粉末送離該氣流粉碎機。

在所舉實施例中，該氣流粉碎機(12)係以大約800到大約1200rpm的轉速運作。例如，氣流粉碎機(12)的轉速可設定在800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm或1200rpm。

將粉末適當分散在空氣中對於後續處理步驟中是否可得到好的粒子分離效果甚為關鍵。在此方面，可控制壓縮空氣壓力、轉速與轉子間隙開口(rotor gap opening)來確保好的粒子分離效果。

接著將分散粉末進給到一分級機系統，以得到淨化的SiC粒子。該分級機系統可包括超過一個分級機。

分級機是一種將粒子離心分離為粗份和細份的形式。操作時，經由底部將分散粉末進給到一分級機，並帶往一組分級機頂部的轉子。細微的粉末通過轉子從頂部離開分級機，而粗粉末經由底部離開分級機。接著使細份過一空氣過濾器(集塵系統)收集細微粉末。為達成有效分離，使用如圖1所示，由三個分級機(14)、(16)、(18)組成的三重分級系統。每一分級機都有自己空氣過濾器來收集細微粉末。應了解的是亦可同樣使用任何其他數目的分級機，例如4、5、6、或更多分級機。

在各種實施例中，分級機可以串連方式配置。換言之，在如圖1所示的例子中，第一分級機(14)位於第二分級機(16)的上游，第二分級機(16)又位於第三分級機(18)的上游。

每一個分級機(14)、(16)、(18)產生一個粗份和一個細份。當分級機串連連接的情況下，一上游分級機的粗份會進給到一下游分級機，而各分級機的每一細份會從該分級機系統分離出來。

因此，在圖1所示實施例中，該第一分級機(14)所得的粗份被送到該第二分級機(16)。該第二分級機(16)所得的粗份被送到該第三分級機(18)。該第一分級機(14)、第二分級機(16)與第三分級機(18)所得的細份可獨立收集。

或者，亦可將該第一分級機(14)、第二分級機(16)與第三分級機(18)所得的細份收集在一起。

細份中通常包含不少部分的粗粉末。透過將該分級機系統所得的一或多個細份回收回該氣流粉碎機(12)中，本方法所得淨化SiC粒子的產率可改善例如至少3%。因此，在各種實施例中，至少該等細份之一被回收回該氣流粉碎機(12)中。如圖1所例示，可將來自第三分級機(18)的細份回收回該氣流粉碎機(12)中。

在其他例子中，亦可回收來自該第一分級機(14)或該第二分級機(16)的細份回該氣流粉碎機(12)中。

在某些其他例子中，該第二分級機(16)與第三分級機(18)所得的細份可收集在一起，回收回該氣流粉碎機(12)中。

該第一分級機(14)、第二分級機(16)與第三分級機(18)分別所得的細份可獨立收集，並從該分級機系統分離出來。該等細份可作為有用產物賣出。例如，收集該第一分級機(14)所得的細份，以商標名 SiSiCar®50賣出。收集該第二分級機(16)所得的細份，以商標名SiSiCar®70賣出。

最後一個分級機(即圖1中的第三分級機(18))的粗份包含淨化後的SiC粒子。

在各種實施例中，該第一分級機(14)係於大約2100到大約2800rpm的轉速運作。例如，該轉速可設定在2100rpm、2200rpm、2300rpm、2400rpm、2500rpm、2600rpm、2700rpm或2800rpm。

圖2A顯示圖1系統的第一分級機的該進料(樣品1)、細份(樣品3)以及粗份(樣品4)的粒徑分布。

在各種實施例中，該第二分級機(16)係於大約2100到大約2800rpm的轉速運作。例如，該轉速可設定在2100rpm、2200rpm、2300rpm、2400rpm、2500rpm、2600rpm、2700rpm或2800rpm。

圖2B顯示圖1系統的第二分級機的該進料(樣品4)、細份(樣品5)以及粗份(樣品6)的粒徑分布。

在各種實施例中，該第三分級機(18)係於大約2100到大約2800rpm的轉速運作。例如，該轉速可設定在2100rpm、2200rpm、2300rpm、2400rpm、2500rpm、2600rpm、2700rpm或2800rpm。

圖2C顯示圖1系統的第三分級機的該進料(樣品6)、細份(樣品7)以及粗份(樣品8)的粒徑分布。

除了分級機轉速之外，轉子間隙開口與空氣過濾器轉子速度也是重要因素，可加以控制以使該清潔程序最適化。

根據本案的第二方面，揭露一種藉由除去黏附在汙染SiC 粒子上的微細粒子而清潔汙染碳化矽(SiC)粒子的系統。

該系統可包括一氣流粉碎機。

在各種實施例中，分級機可以串連方式配置。在此配置下，每一分級機產生一粗份和一細份，一上游分級機的粗份可進給到一下游分級機，而各分級機的每一細份會從該分級機系統分離出來。

為了證明本發明方法與系統的有效性，把晶圓切割前後的SiC粒子加以比較：圖3A顯示矽晶圓切割前新SiC粒子的SEM(1000x放大)。圖3B顯示矽晶圓切割後汙染SiC粒子的SEM(1000x放大)。圖3C顯示本案方法所得清潔後SiC粒子的SEM(1000x放大)。圖4A顯示矽晶圓切割前新SiC粒子的SEM(2000x放大)。圖4B顯示矽晶圓切割後汙染SiC粒子的SEM(2000x放大)。圖4C顯示本案方法所得清潔後SiC粒子的SEM(2000x放大)。

為了使本發明易於瞭解並落實實用效果，現將透過以下非限制目的的實例說明特別的實施例。

實例實例：受汙染FEPA F800碳化矽粒子的清潔

有些使用者使用根據FEPA F800所製得的碳化矽，懸浮於聚乙二醇中做為切割介質。在使用後，該懸浮液會充滿微小不純物，使得粒徑分布偏移到所欲窄範圍之外。

藉由本發明方法，意圖清潔受汙染的碳化矽粒子，使其符合以下的粒徑分布：

D3 <18.00微米

D50 7.00微米到9.00微米

D94 >4.00微米

測試方法：利用馬爾文mastersizer 2000激光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)進行雷射繞射

用過的懸浮液根據現有技術過濾，並加熱固體成為乾燥的污染碳化矽粉末，具有以下粒徑分布：

D3 15.53微米

D50 7.46微米

D94 0.92微米

此粉末裝載了很多細微不純物。

如本發明所述，圖1所示的方式清潔污染的碳化矽粉末。首先，將材料饋給至一COMEX JMX 200氣流粉碎機，於約4巴(bar)的壓縮空氣設定下，於其中將任何結塊研磨與分裂。然後該分散粉末於1000rpm轉速下離開該氣流粉碎機。

接著如下所述，於一串3個COMEX JMX 200氣流分級機中清潔分散的粉末。

分散的粉末接著進入第一分級機的底部，於2400rpm轉速下分成一細份與一粗份。這些分流的粒徑分布如下所示：

進料圖2A樣品1

細圖2A樣品3

粗圖2A樣品4

該第一細份經過轉子離開第一分級機頂部，並被收集在一空氣過濾器中(風扇速度3300rpm)，為SiSiCar®50。此第一細份的組成物典型上為：

碳化矽微粒 >50wt%

矽微粒 <40wt%

鐵 <6wt%

該第一粗份接著進入第二分級機底部，於2700rpm轉速下分離成第二細份與第二粗份。這些分流的粒徑分布如下所示：

進料圖2B樣品4

細圖2B樣品5

粗圖2B樣品6

該第二細份經過轉子離開第二分級機頂部，並被收集在一空氣過濾器中(風扇速度3400rpm)，為SiSiCar®70。此第二細份的組成物典型上為：

碳化矽微粒 >70wt%

矽微粒 <25wt%

鐵 <4wt%

從圖2B樣品6得知，該第二粗份已經符合FEPA F800粒徑要求。然而，為了將細微不純物減至最少，此第二粗份再度進給至第三分級機底部，於2700rpm轉速下分離成第三細份與第三粗份。這些分流的粒徑分布如下所示：

進料圖2C樣品6

細圖2C樣品7

粗圖2C樣品8

從圖2C樣品7得知，該第三細份中包含不少部分的粗碳化矽粒子，因此再繞回該氣流粉碎機，以增加產率。

收集第三粗份，為淨化的碳化矽粒子，具有以下符合FEPA F800的粒徑分布：

D3 13.62微米

D50 7.71微米

D94 4.75微米

如圖3C與圖4C所示，清潔後的碳化矽粒子被徹底“除塵”，換言之，以除去大部分最細的不純物。

清潔後的碳化矽粒子的總產率為約73%。

藉由“包括”表達包含，但不限於“包括”之後所用的字詞，因此“包括”一詞指出所列元件為必須或強制，但其他元件為選擇性存在，也可以不存在。

藉由“由…組成”表達包含且限於“由…組成”之後所用的字詞，因此“由…組成”一詞指出所列元件為必須或強制，且無其他元件存在。

於此處舉例說明的本發明可於缺少任何未於此處特別說明的元件、限制之下實施。因此，例如“包括”、“包含”等詞可擴大閱讀而不加限制。此外，此處所用的詞彙和表達係用以說明而非限制，並不欲利用此等詞彙和表達來排除所顯示或陳述的均等特徵或其部分，而應知悉各種修飾居可列於本發明所主張保護的範圍內。因此，應了解的是雖然本發明已特別透過較佳實施例和可變選項加以說明，此處所列舉的本發明實施方式仍可由熟習此技藝之人士進行修飾與變化，且此等修飾與變化應視為落在本發明範圍內。

與所舉數值相關的“約”，例如溫度和時間，意謂包括在所指明數值10%範圍內的數值。

此處對本發明做廣泛而一般性的說明。落在上位揭露下的每一更窄的類別(species)與下位群組(sub-generic grouping)亦形成本發明的一部分。此包括帶有條件或將任何標的從上位概念中除去的負面限制的發明的上位敘述，不論是否於此特別指明所實施的材料。

其他實施例落於以下申請專利範圍與非限制實例中。此外，若發明特色與領域以馬庫西群組方式表達，熟習此技藝人士將知悉本發明亦可以任何馬庫西獨立成員或成員的子群組加以說明。