專利名稱：從廢棄的晶片鋸切漿回收硅和碳化硅的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)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能電池中。其他產(chǎn)品可以包括精細碳化硅研磨粉和在晶片鋸切過程 中再利用的相關(guān)載體液體。
背景技術(shù)：
由于包括高油價和政府解決如全球變暖的環(huán)境問題的政策等因素，對于光伏(PV) 電池形式的太陽能收集系統(tǒng)的市場需求在全球正以每年超過25%的速度增長。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價值鏈中的一個嚴(yán)重 缺點在于晶片切割過程中存在大約40-50%的硅損失。這種情況也存在于互聯(lián)微電子(ME) 硅價值鏈中。用于開發(fā)PV電池的現(xiàn)有方法是多步的增值活動鏈，其將基礎(chǔ)硅轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生電的 裝置。通過各步驟，硅被精制并成形，以使得其能夠置于太陽能電池中。然而，該價值鏈并 非沒有低效活動。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。來自晶片切割過程的廢棄的漿產(chǎn)物一般由液相中的非常細的固體顆粒組成。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。其余的顆粒來自鋼 絲鋸切和硅晶片。鋼顆?？赡芘c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。在線鋸切操作過程中，碳化硅原料稍有磨損， 并隨時間形成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(這推動其價格朝向電子級硅 (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)來回收和再利用這種硅?，F(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 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。即使可能通過物理方 法從漿液完全除去線鋸切顆粒，剩余的超細硅粉的處理是危險的(由于潛在的粉塵爆炸)， 且很難使用常規(guī)熔爐技術(shù)熔化。
這種市場需求對于PV產(chǎn)業(yè)的整體經(jīng)濟效益的影響是重大的。已有資 料清楚地表明，太陽能產(chǎn)業(yè)自從2005年以來已經(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M頁)。在過去4年中，在這段時間內(nèi)生產(chǎn)的> 100，000噸的硅中超過40% 由于無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 間造成了太陽能產(chǎn)業(yè)的至少20億美元的累計經(jīng)濟損失(在2005-2008期間，用于PV的多 晶硅的平均產(chǎn)量是2萬5千噸/年，平均合同價格是$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(ftOmetheuiJnstitute)]，第四頁)，丟棄大約40%的原料已經(jīng)是阻止太陽能電池的 電網(wǎng)平價(grid-parity)和更廣泛采用的經(jīng)濟上的重要因素。因此，需要以適于在基于硅晶片的PV產(chǎn)業(yè)中再利用的形式和純度回收硅。本文通 過引用完整引入的2008年4月11日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/044，342描述了用于 從廢棄的晶片鋸切操作中回收硅顆粒的多步驟方法。其中所描述的方法可以包括可以在 800-1300°C之間的溫度下操作以產(chǎn)生顆粒硅產(chǎn)物的2階段碘催化反應(yīng)序列?；厥盏墓璧募?度可以達到99. 9999重量％ (即6個九或6N)，并在一定操作條件下可能達到更高水平。然而，對于如今使用中的最高效率的PV電池，可能優(yōu)選利用更高純度的硅。例如， 可能需要獲得8N的硅純度(即99. 999999重量％ )。因此，本領(lǐng)域仍然需要可以有效地將硅顆粒與漿液混合物的其它部分分離的商業(yè) 操作方法。此外，需要將這些細的硅顆粒轉(zhuǎn)化為可應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備(如光電太陽能電池) 的商業(yè)生產(chǎn)的形式的方法。此外，本領(lǐng)域仍然需要可以從各種來源(如PV和ME工業(yè)中產(chǎn) 生的廢棄的晶片鋸切漿)回收和/或純化硅至更高的純度(例如，8N)的商業(yè)操作方法。發(fā)明概述本發(fā)明提供了用于從廢棄的硅晶片線鋸切漿(wire sawing slurry)生成和/或 回收一種或多種含硅產(chǎn)物的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。使用本文公開的方法和設(shè)備可以以高通量 和低或有競爭力的成本產(chǎn)生不同級別的高純度或更高純度的硅(即，高達7N至10N和更 高)。本文所述的本發(fā)明的各個方面可應(yīng)用于下文闡述的任何特定應(yīng)用或應(yīng)用于任何其他 類型的硅純化應(yīng)用中。本發(fā)明可作為獨立的系統(tǒng)或方法應(yīng)用或作為整合的硅產(chǎn)品生產(chǎn)過程 的一部分而應(yīng)用?？梢岳斫猓景l(fā)明的不同方面可以單獨、共同或相互結(jié)合地理解。本文公開了用于從多種來源生產(chǎn)多晶硅顆粒和回收碳化硅顆粒的方法和設(shè)備。該 各種來源可以是廢棄的漿液，如那些用于微電子(ME)和光伏(PV)工業(yè)中的線鋸切過程中 產(chǎn)生的廢棄的漿液。本發(fā)明的某些實施方式提供了可以執(zhí)行下列一個或多個步驟的純化系統(tǒng)和方法 (1)使用一個或多個系列的物理分離裝置(例如，磁鐵或電磁鐵)從漿液分離線鋸切鋼微 粒；O)回收漿產(chǎn)物和隨后除去液相(乙二醇-水或油)，以產(chǎn)生碳化硅和硅的潮濕的細粉 末混合物；C3)使用可以形成硅和碳化硅的干燥混合物的粉末混合物液-氣相分離完全除 去殘留的水分或油；(4)使硅和碳化硅的干燥混合物經(jīng)過包含純四碘化硅的高溫反應(yīng)器， 以產(chǎn)生含二碘化硅的蒸氣；( 通過重力或過濾裝置將碳化硅與由此產(chǎn)生的蒸氣流分離；(6)引導(dǎo)氣相至優(yōu)選為具有明顯較低溫度的流化床的第二容器，并將純硅沉積到所述反應(yīng) 器中的顆粒上；和(7)在蒸餾塔或其他裝置中回收和純化四碘化硅，以除去任何雜質(zhì)。這些 方法和過程可以與本文所述的任何其他用于從晶片鋸切過程回收和產(chǎn)生硅、碳化硅和PEG 的方法和過程組合、切換或進行修改?？梢砸匀魏雾樞?qū)嵤┗厥展?、碳化硅和PEG的方法和 過程。本發(fā)明的其他實施方式提供了可以用來產(chǎn)生高純度硅的純化系統(tǒng)和方法，其可以 執(zhí)行下列步驟中的一個或多個(1)通過借助或不借助不同幅度的離心力的重力分離方法 (例如，沉降池、澄清器、水力旋流器(hydro-cyclone)、離心機、過濾器和使用額外的對流 以實現(xiàn)分離的水力分級器)分離大的碳化硅顆粒(例如，有效直徑大于5微米的顆粒)；(2) 使用一個或多個系列的磁力分離裝置(例如，磁鐵或電磁鐵)從漿液除去線鋸切鋼微粒； ⑶進行浸提，例如，通過將鋼貧化的漿液與酸性溶液反應(yīng)，從而進一步降低鋼的含量；⑷ 除去液相(如PEG)以產(chǎn)生只具有少量鋼和較小尺寸(例如，有效直徑小于5微米)的碳化 硅顆粒的硅富集的濕潤細粉末混合物(例如，小于5%的液體)；(5)干燥剩下的固體以幾 乎完全除去液體；(6)使所述富含硅的干燥混合物在大約600-800°C下經(jīng)過包含純碘蒸氣 的加熱反應(yīng)器，以產(chǎn)生主要包含四碘化硅和只有極少量的雜質(zhì)碘化物的蒸氣；(7)冷卻蒸 氣相并引導(dǎo)它至優(yōu)選作為蒸餾塔的純化單元，以除去四碘化硅中的雜質(zhì)；(8)收集純化的 四碘化硅，然后使它在真空下操作的流化床中經(jīng)受大約800-1300°C的溫度，其中四碘化硅 分解成純硅和碘蒸氣；和(9)碘蒸氣循環(huán)到該過程中。這些方法和過程可以與本文所述的 任何其他用于從晶片鋸切過程回收和生產(chǎn)硅、碳化硅和PEG的方法和過程組合、切換或進 行修改?？梢砸匀魏雾樞?qū)嵤┗厥展琛⑻蓟韬蚉EG的方法和過程。結(jié)合下面的描述和附圖考慮，可進一步理解和體會本發(fā)明的其他目的和優(yōu)勢。盡 管下面的描述可能含有描述本發(fā)明的特定實施方式的具體細節(jié)，但這不應(yīng)理解為是對本發(fā) 明的范圍的限制，而是作為優(yōu)選實施方式的示例。對于本發(fā)明的各個方面，如本文中所提出 的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的許多變化是可能的。可以在不背離本發(fā)明精神的情況下，在 本發(fā)明的范圍內(nèi)做出許多變化和修改。附圖簡要說明在所附的權(quán)利要求中具體闡述了本發(fā)明的新特點。通過參考下面的其中利用本發(fā) 明的原理的說明性實施方式的詳細描述和附圖可以獲得對于本發(fā)明的特點和優(yōu)勢的更好 的理解。附圖中

圖1是顯示用于從廢棄的晶片切削漿(cutting slurry)商業(yè)生產(chǎn)硅和回收碳化 硅的物料流的裝置示意圖。圖2是顯示可以如何在圖1所示過程的不連續(xù)步驟中回收大的碳化硅顆粒的裝置 示意圖。圖3是本發(fā)明的示例設(shè)備的示意圖，顯示用于從廢棄的晶片切削漿回收硅、碳化 硅和PEG(聚乙二醇)的物料流和高純度或更高純度的硅的產(chǎn)生。通過引用并入本文通過引用引入在所述明書中提及的所有出版物和專利申請，如同各個單獨的 出版物或?qū)＠暾執(zhí)貏e、單獨地表明通過引用引入。優(yōu)選實施方式
本發(fā)明提供了用于回收硅、碳化硅和切削液的方法和系統(tǒng)，用于從各種工業(yè)過程 產(chǎn)生的廢棄漿液產(chǎn)生高純度硅。特別是，本發(fā)明可應(yīng)用于來自微電子和光伏工業(yè)的晶片切 割操作的廢棄漿液。在一種實施方式中，本發(fā)明還提供了可擴展至商業(yè)規(guī)模(例如，每年50-5，000或 500-5，000噸)的適于用于產(chǎn)生適用于光伏工業(yè)的硅的方法。在本發(fā)明的一個方面中，提供了沉積純硅顆粒的經(jīng)濟的、高生產(chǎn)量的方法，所述純 硅顆?？捎糜谑褂镁€帶(string ribbon)或球形電池(spherical cells)的主要PV生產(chǎn) 商的連續(xù)工藝應(yīng)用中。在一個方面中，公開了產(chǎn)生純的顆粒硅原料和碳化硅粉的設(shè)備。在一種實施方式 中，設(shè)備包括用于回收在晶片切割工藝中再利用的漿液介質(zhì)的系統(tǒng)。在另一個方面中，本發(fā)明的系統(tǒng)、方法或設(shè)備可以回收至少60% JO^AO^、 85^^90^^95%或99%的錠切割過程的硅切削漿或廢棄漿液中包含的硅。在一種實施 方式中，回收90%或更多的硅。硅可以具有至少或至少大約99. 9999%,99. 99999%, 99. 999999%,99. 9999999%,99. 99999999%或 99. 999999999%的純度。換句話所述，硅可 以具有達到或超過6N、7N、8N、9N、10N或IlN的純度。如圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)、方法或設(shè)備可以包括一個或多個設(shè)定為處理含硅輸 入材料(流1)成為富含硅的流(流7)的分離步驟(在流1和7之間)。這些分離步驟可 以包括以下任何分離方法磁力、固/液、固/氣、氣/液、密度、沉降速度、干燥或浸提。如 圖1所示，這些分離步驟可用于在各種輸出流(如流2、4和6)中從含硅輸入材料回收或除 去金屬、碳化硅、液體(例如聚乙二醇、水或油)。這些流可以是富含金屬的流(圖1中的流 2)和富含碳化硅的流(圖2中的流3a和7a)?？梢允褂帽疚乃龅娜魏蜗到y(tǒng)、方法或設(shè)備處理富含硅的流。在本發(fā)明的一些實 施方式中，富含硅的流可以與四碘化硅反應(yīng)，以在第一反應(yīng)器(圖1中的硅反應(yīng)器1)中產(chǎn) 生富含二碘化硅的流。這種富含二碘化硅的流然后可以用來在第二反應(yīng)器(圖1中的硅反 應(yīng)器幻中形成沉積的硅。在本發(fā)明的其他實施方式中，富含硅的流可以與碘反應(yīng)以在第一反應(yīng)器(圖3中 的反應(yīng)器1)中產(chǎn)生富含四碘化硅的流?？梢约兓缓牡饣璧牧?，以形成高純度的富含 四碘化硅的流。例如，可以使用蒸餾過程(圖3中的蒸餾)純化富含四碘化硅的流。富含 高純度四碘化硅的流可以用來通過在第二反應(yīng)器(圖3中的反應(yīng)器2)中與純化的反應(yīng)以 形成二碘化硅而形成沉積的硅。高純度硅的回收本發(fā)明的某些方面提供通過將來自晶片切割過程的廢棄漿液連續(xù)進料至第一單 元(其中，通過物理分離器基本上從漿液除去漿液的鋼微粒)中而產(chǎn)生純的顆粒硅原料的 方法。在一種實施方式中，物理分離器是磁力分離器。物理分離器可以是利用含鐵物質(zhì)(例 如，鋼鐵)和其他漿液組分之間的物理性質(zhì)差異的任何系統(tǒng)。含鐵微?？梢员凰偷接糜阡?鐵的實質(zhì)回收的再循環(huán)設(shè)施中。不含鐵的漿液可以經(jīng)受液-固分離步驟，該步驟除去用于 在晶片切割過程中再使用的液相(乙二醇-水或油)。不含鐵的漿液可以指已經(jīng)進行用于 除去含鐵微粒的物理分離器的漿液。不含鐵的漿液也可以是指完全、基本上、主要或部分除 去含鐵微粒的漿液。
來自本文所述的方法的潮濕粉末產(chǎn)物可以經(jīng)干燥以除去所有殘留的液體(例如， 乙二醇、水或油)。干燥步驟一般利用材料的適度加熱和/或壓力降低以實現(xiàn)所需的粘附液 體的除去效果。在一些實施方式中，干燥粉末產(chǎn)物包含大小為大約1至20微米的硅和碳化 硅顆粒。在本發(fā)明的一種實施方式中，粉末混合物經(jīng)受大約1250°C的溫度和包括一些四碘 化硅蒸氣的氣相。粉末混合物可以經(jīng)受大約1000至大約1500°C的溫度，其中硅部分可以 是固體或液體形式。如果給予足夠的停留時間(例如，大約1分鐘)，硅粉末與碘蒸氣反應(yīng) 以在氣相中產(chǎn)生大量的二碘化硅。例如，停留時間可以為大約5秒至大約10分鐘。在其 中在一系列反應(yīng)器(包括旋流器或多孔陶瓷過濾器)中完成過程的實施方式中，通常從該 過程中除去碳化硅顆粒。在另一種實施方式中，將二碘化硅蒸氣輸送到另一個保持在大約 700-1000°C溫度下的反應(yīng)器中。在該容器中，例如，含有硅晶種微粒的流化床，如本文通過 引用完整引入的本申請人共有的美國專利申請11/893，980中公開的容器中，二碘化硅可 以基本上轉(zhuǎn)化成具有類似于用于晶片切割過程中使用的硅錠的純度或與其大致匹配的純 度的硅。任何剩余的四碘化硅蒸氣可由此在這個過程中重新循環(huán)。四碘化硅蒸氣也可以通 過蒸餾和/或其他方法(包括溶劑)定期地清除任何雜質(zhì)。在本發(fā)明的一些實施方式中，四 碘化硅蒸氣使用蒸餾過程或其他分離過程不斷純化，以提高沉積硅的純度達到或超過6N、 7N、8N、9N、10N 或 11N。高純度碘化硅在本發(fā)明的一些實施方式中，來自廢棄漿液的硅和其他物質(zhì)與碘反應(yīng)，以形成四 碘化硅和其他碘化物。可以通過多種分離過程(如蒸餾、膜分離、色譜法和本領(lǐng)域技術(shù)人員 已知的其他方法)將包括四碘化硅的碘化物與其他碘化物分離。在本發(fā)明的一些實施方 式中，可以使用一種或多種分離過程(包括在低壓力或真空下的基于蒸餾、基于溫度或基 于相(例如，固/液、液/氣、固/液/氣和/或固/氣)的分離過程)將四碘化硅與其它 組分分離。結(jié)晶、沉淀和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他方法可以用于分離或增加四碘化硅的 純度。分離過程的速率、壓力和溫度可以被優(yōu)化以提高四碘化硅純度和/或減少用于執(zhí)行 分離過程的設(shè)備的腐蝕或磨損。一種或多種分離方法之后回收的四碘化硅的純度可以為 至少或至少大約 70、80、90、95、97、99、99· 9%,99. 99%,99. 999%,99. 9999%,99. 99999%, 99. 999999%,99. 9999999%或99. 99999999%。本文提供的用于執(zhí)行一種或多種分離過程 的設(shè)備(例如，用于分離四碘化硅的蒸餾塔或任何其他蒸餾裝置)的壽命可以延長幾十年 或更長的時間。這可以通過一種或多種分離過程的優(yōu)化來實現(xiàn)。美國專利號6，712，908公開了用于提高四碘化硅純度的蒸餾過程的例子，本文通 過引用完整引入。簡單地說，可以使用蒸餾過程將SiI4與其它碘化物分離。其他碘化物可 以包括BI3、PI3、CI4、！^eI2和A1I3。由于!^eI2和AlI3的較低的相對蒸氣壓，可以在一個汽化 步驟中將!^12和八113與813、卩13、(14禾口 SiI4分離。一旦汽化，SiI4可以在比BI3和PI3高 和比CI4低的溫度下冷凝。SiC的回收在本發(fā)明的另一種實施方式中，漿液中的碳化硅顆粒分成兩部分，一個部分主要 包含較大的顆粒(例如，大約10-20微米的顆粒)和另一個部分包含在線切割過程中產(chǎn)生 的碳化硅顆粒部分且具有較小的顆粒大小(例如，大約1-10微米)。例如，可以在物理分離步驟(例如，使用磁鐵)后使用水力旋流器，或者在干燥步驟后使用合適幾何形狀的空氣旋 流器實施分離步驟。任一類型的旋流器能夠有效地分離大部分大尺寸的碳化硅顆粒。在高 溫反應(yīng)步驟之前除去大的碳化硅顆粒的優(yōu)勢是整個過程需要較少的熱量輸入。在一種替代的實施方式中，如果進入該過程的廢棄漿液已經(jīng)處于干燥狀態(tài)且液相 大部除去，則具有低氧濃度的液體和機械攪拌設(shè)備可用于產(chǎn)生根據(jù)前面描述方法處理的漿 液。替代輸入在更另外的一種替代的實施方式中，輸入原料可以是來自漿液回收過程的廢棄 物，其中，其組成主要缺乏大的碳化硅顆粒。這種材料可以包含大量的鋼和硅以及少量的小 直徑碳化硅顆粒和乙二醇、水或油。該原料根據(jù)本文描述的方法進行處理，然而在大多數(shù)情 況下，不需要除去大顆粒碳化硅部分。回收硅和晶片鋸切切削液的方法和系統(tǒng)圖1說明用于從設(shè)備的廢棄晶片切割漿商業(yè)產(chǎn)生硅和回收碳化硅的物料流的示 意圖。應(yīng)該理解，圖1所示的任何一個或多個過程可以以任何順序及其組合來實施。一般 地說明圖1的示例方法、裝置和系統(tǒng)，來自晶片切割操作的廢棄漿液1添加到攪拌罐中，其 中添加含水的液體溶液以產(chǎn)生用于后續(xù)處理的適當(dāng)?shù)恼扯?。通過攪拌和/或振動的機械能 量用于在攪拌罐中充分分散微粒。然后將分散的漿液轉(zhuǎn)運到高梯度磁力分離器或利用鋼微 粒的物理性質(zhì)的實質(zhì)差異的類似裝置中，其中，含鐵微粒被高效除去并引導(dǎo)至廢物循環(huán)流2 中。然后將不含鐵的漿液3泵入液/固分離器中。該單元可以由可以在1-20微米之間的 微粒大小下操作的壓濾機、離心機、水力旋流器或其他固-液分離裝置組成。如圖1中的示例實施方式所示，收集通過液/固分離器的液體流4，隨后與大的碳 化硅顆粒重組組合以形成用于晶片切割操作的新的線鋸切切削液。將由液/固分離器獲得 的不含鐵的固體微粒流5通過螺旋進料器或類似裝置輸送，并通過增加該單元中的溫度和 /或降低壓力進行干燥，從而揮發(fā)殘留的液體相。將收集的液體流6輸送到收集容器中，并 可以隨后與大的碳化硅顆粒重新組合，以形成用于晶片切割操作的新的線鋸切漿。由硅和 碳化硅組成的干燥的微粒流7然后通過進入硅反應(yīng)器1的壓力密封閥注入氣體-蒸氣流 中。氣體-蒸氣流通常由不同體積比的載氣和四碘化硅組成。該單元中微粒和蒸氣的停留 時間一般低于1分鐘，且溫度保持高于大約1100°C，優(yōu)選1250至1500°C之間。另外在圖1的例子中，在硅反應(yīng)器1中硅顆粒完全反應(yīng)以形成氣體-蒸氣相中的 二碘化硅。旋流器或類似的固-氣分離器可以作為該系統(tǒng)的一部分添加，并可以允許捕獲 和除去流8中的碳化硅顆粒。氣體-蒸氣通過流9輸送至由流化床或類似的接觸裝置組成 的硅反應(yīng)器2的入口。進入反應(yīng)器1的相關(guān)碳化硅顆粒一般不與四碘化硅反應(yīng)。為了避 免碳化硅顆粒攜帶進入流9中，陶瓷過濾器也可以在線添加以完成這種固體材料的最終除 去。作為一個例子，如圖1所示，氣體-蒸氣流9被注入流化床(硅反應(yīng)器幻的致密 相中或所述流化床的分布板的入口中。反應(yīng)器2在其整個體積內(nèi)保持在700-1000°C范圍的 恒定溫度下。在這個例子中，二碘化硅蒸氣優(yōu)選沉積到由硅晶種材料組成的流化床的微粒 相上。由于硅的床顆粒生長成大約0.5-10毫米(例如，5毫米)的顆粒，它們通過適當(dāng)?shù)臋C 械方式從床中除去，并進入流11。硅顆粒然后冷卻到室溫，并形成可銷售的產(chǎn)品。離開流化床的氣體-蒸氣相10可以循環(huán)回到硅反應(yīng)器1中。經(jīng)過這種類型的許多操作周期后，在氣 體-蒸氣相中存在雜質(zhì)累積的傾向；因此，循環(huán)流10中的一些可以被送到進行四碘化硅中 雜質(zhì)的蒸餾和/或溶劑萃取的純化單元中。具有減少的熱需求的方法和系統(tǒng)如圖2所示的本發(fā)明的另一個示例實施方式說明從一個過程(例如前述的過程) 回收大的碳化硅顆粒的物料流的示意圖。圖2顯示旨在改善或減少熱量需求的該過程的示 例性變化。由于碳化硅顆粒參與到圖1所示的硅反應(yīng)器1中，可能需要更多的熱量，因為這 些微粒被帶至1100至1500°C的操作溫度下。此外，由于碳化硅不會與四碘化硅蒸氣發(fā)生 可測量的反應(yīng)，因而它在該單元中實際上起到“死負荷(dead-load)”的作用。如果需要的 話，流3a和7a中顯示的對圖1的修改可以用來有效地減少該過程中對于熱量的需求。在流3a中，使用水力旋流器除去大部分大的碳化硅顆粒，而在流7a中，用空氣旋 流器除去這些顆粒。盡管由于流體與顆粒之間的較大的密度差異，空氣旋流器可能在除去 非常小的顆粒方面更加有效，但任一旋流系統(tǒng)都可能是有效的。實施例1在實驗室規(guī)模(bench-scale)的處理系統(tǒng)中進行兩個重復(fù)實驗。對于試驗 S1-31-08-11-14和S1-31-08-12-05，用于圖1和圖2中的設(shè)備(反應(yīng)器1和反應(yīng)器2)的 條件列于下面的表1中。表 權(quán)利要求
1.一種用于回收硅的方法，其包括a)使用至少一種物理分離裝置從切削漿分離含鐵的微粒，從而產(chǎn)生漿產(chǎn)物；b)從所述漿產(chǎn)物除去液體，從而產(chǎn)生碳化硅和硅的粉末混合物；c)向包含四碘化硅的第一容器提供所述粉末混合物，從而產(chǎn)生含二碘化硅的蒸氣；和d)向第二容器提供所述含二碘化硅的蒸氣，其中由二碘化硅形成所述沉積的硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括從所述第二容器純化和回收殘留的四碘化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括e)回收步驟a)的所述含鐵微粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括f)向步驟d)中的所述第一容器添加載氣，以調(diào) 整蒸氣-氣體混合物的流速。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括從所述第一容器回收碳化硅微粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括從所述漿產(chǎn)物回收乙二醇、油或水中的至少一種。
7.一種用于回收硅的設(shè)備，包括a)物理分離裝置，其中，所述物理分離裝置從切割漿分離含鐵微粒，以產(chǎn)生富含硅和碳 化硅的流；b)旋風(fēng)分離器，用于從富含硅和碳化硅的流產(chǎn)生富含硅的流；和c)容器，用于從富含硅的流產(chǎn)生沉積的硅，其中所述容器包括以純硅微粒作為晶種的 流化床。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中，所述旋風(fēng)分離器從在蒸氣-氣體相中的硅和碳化硅的 混合物分離碳化硅，所述蒸氣-氣體相允許硅和四碘化硅之間進行反應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，進一步包括水力旋流器，其中，所述水力旋流器被配置為從 固-液漿中分離10至20微米的碳化硅微粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，進一步包括高溫過濾器，其中，所述高溫過濾器被配置為 阻止1至10微米的碳化硅微粒被二碘化硅氣體蒸氣夾帶進入所述容器。
11.一種用于回收硅的系統(tǒng)，包括a)物理分離裝置，其中，所述裝置產(chǎn)生用于從含硅產(chǎn)物分離含鐵微粒的磁場；b)分離器，其中所述分離裝置是用于從所述含硅產(chǎn)物分離直徑大于大約10微米的碳 化硅微粒的水力旋流器或空氣旋流器；c)干燥裝置，用于干燥所述含硅產(chǎn)物；d)被配置為接收所述含硅產(chǎn)物的第一容器，其中，所述第一容器維持在至少1000°C的 溫度下；和e)被配置為接收所述含硅產(chǎn)物的第二容器，其中，所述第二容器包括用純硅微粒作為 晶種的流化床。
12.一種用于回收硅的方法，包括a)向第一容器提供含硅物質(zhì)和碘，從而產(chǎn)生包含四碘化硅的富含四碘化硅組合物；b)對富含四碘化硅的組合物進行蒸餾過程，以形成富含更高純度四碘化硅的組合物；和c)向第二容器提供富含更高純度四碘化硅的組合物，其中，沉積的硅由四碘化硅形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，富含四碘化硅的組合物包含碘化硅，且超過大約70%的碘化硅為四碘化硅的形式。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述含硅物質(zhì)通過一個或多個以下步驟制備 固-液分離步驟、磁力分離步驟、過濾步驟、浸提步驟和干燥步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述含硅物質(zhì)包含冶金級的硅。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述富含更高純度四碘化硅的組合物具有至少 99. 99999-99. 99999999% (7-10N)的純度。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述沉積的硅具有至少99.999999%的純度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，第一容器在大約600°C至900°C的溫度下操作，第 二容器在大約900至1300°C的溫度下操作，而蒸餾過程在低于大約101. 3千帕的壓力下操 作。
19.一種用于回收線鋸切切削漿的方法，包括a)使包含碳化硅和PEG的混合物經(jīng)受固液分離，以形成富含碳化硅的組合物和貧碳化 硅的組合物；b)使貧碳化硅的溶液經(jīng)受過濾分離，以形成富含PEG的組合物；和c)合并富含碳化硅的組合物和富含PEG的組合物，以形成線鋸切切削漿。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述過濾分離形成富含硅的組合物，其中，所述富 含硅的溶液與碘反應(yīng)以形成富含四碘化硅的組合物，其中，使用蒸餾過程分離富含四碘化 硅的組合物以形成富含更高純度四碘化硅的組合物，和其中，富含更高純度四碘化硅的組合物用來形成沉積的硅。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述沉積的硅具有至少99.999999%的純度。
22.一種用于回收硅的設(shè)備，包括a)第一容器，被配置為使含硅物質(zhì)與碘反應(yīng)以成包含四碘化硅的碘化物混合物；b)蒸餾塔，被配置為接收碘化物混合物并產(chǎn)生富含高純度四碘化硅的組合物；和c)第二容器，被配置為由富含四碘化硅的組合物形成沉積的硅。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的設(shè)備，其中，所述第一容器是快速流化床反應(yīng)器，且第二容器是 流化床反應(yīng)器。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的設(shè)備，其中，旋流器被連接到第一容器上。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的設(shè)備，其中，所述第二容器、蒸餾塔和/或第二容器包含內(nèi)部的 陶瓷殼體。
26.一種用于回收硅的系統(tǒng)，包括用于從切削漿分離硅的裝置，其中，所述系統(tǒng)每年 回收大約50至大約5000噸的PV級的硅。
27.一種用于回收硅的系統(tǒng)，包括用于從切削漿分離硅的裝置，其中，所述系統(tǒng)從所 述漿回收大約90%的所述硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于從晶片鋸切過程中產(chǎn)生的漿液中回收高純度的硅、碳化硅和PEG的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。含硅物質(zhì)可被加工以用于生產(chǎn)富含硅的組合物。從含硅物質(zhì)回收的碳化硅和PEG可以用來形成晶片鋸切切削液。富含硅的組合物可以與含碘化合物反應(yīng)，其可以進行純化和/或用于形成沉積的高純度硅。產(chǎn)生的硅可用于光伏工業(yè)或半導(dǎo)體工業(yè)中。
文檔編號H01L21/00GK102067277SQ200980117876
公開日2011年5月18日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者J·A·法拉沃利塔 申請人:伊奧西爾能源公司