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     硅片切割廢液的處理技術

 

            硅片切割廢液的處理技術

   出于保密需要,本文并非完全版本,工藝流程及數據進行過處理。

   目前國際上工業半導體工業硅片的切割技術,主要采用線切割技術。既用高速運動的合金金屬絲帶動線切割液,利用線切割液中的碳化硅顆粒磨損以達到切割目的。該工藝所產生的廢液的回收再利用,逐漸受到了越來越多的重視。本文對于這一問題的研究,是結合國內一家專門從事硅晶元線切割廢液回收的工廠工藝條件,進行化工設計與優化。

   隨著各國綠色能源的開發,太陽能電池行業迅猛發展,市場對硅單晶片的需求量極大,每年需求15億片,且每年以40%左右的速度在遞增,有專家預測:單只碳化硅磨料,到2010年全世界需求為45萬噸/年,硅晶片產值約200億元人民幣;國內對磨料的需求也達到5萬噸/年。隨著單晶硅片市場需求的增長,也就意味著每年會產生大量的切割廢液,據相關資料顯示,每年在我國被當作廢液排放掉的線切割液達到上萬噸,其中PEG價格為12000元/噸,而金剛砂價格為28000元/噸,也就是說,每年有價值數億的資源被白白浪費。因此,如果廢液的回收再利用問題得到解決,不僅讓硅晶元線切割工藝的生產成本大幅下降,而且分離出來的PEG和金剛砂還能提供給醫藥,化工等其他領域,帶來巨大的經濟效益。因此對于切割液的回收有著十分重要的意義。

   切割過程中,作為介液的聚乙二醇(這里介液通常用聚乙二醇是因為其有較高的黏度,成本低,較易得到,并且還有阻止粉體顆粒發生團聚的作用)帶動碳化硅磨料對單晶硅棒進行切割,切割后,聚乙二醇液體會將使用后的碳化硅磨料帶出,同時由于切割作用,會產生少量的硅粉和金屬碎屑,這些少量雜質也同時被聚乙二醇帶出,這些物質形成了一種由聚乙二醇、金剛砂、以及少量硅粉等雜質組成的混合液,也就是我們所要研究的硅晶元線切割廢液。

   廢液中主要成分聚乙二醇(200~400)、碳化硅(SiC)、單晶硅(Si).雙晶硅的質量比為50:50:6。

   一、硅晶元線切割廢液回收的行業現狀
   國外:目前日本、德國等國家的廢液回收企業,使用的分離方法主要是離心沉降法,通過高分離因數的離心機,實現廢液中固相碳化硅、單晶硅.雙晶硅與液相的完全分離。該方法的優點是分離步驟少,處理效率高、精度高。缺點是對離心機的要求非常高,要求分離因數一般要在10000以上,這類設備一臺造價就要上千萬人民幣,國內企業中,一般很少使用。

   國內:國內企業大多數采用的是離心沉降、超濾等多種分離方法相結合的手段來實現線切割廢液的回收。與國外企業相比,國內的分離方法雖然設備成本低,但是在技術上比較落后,處理效率較低。因此有待進一步的研究改進。

   二、聚乙二醇回收的要求
   幾項比較重要的參考指標

濃度:>99.5%;

電導率:<10ms/cm;

黏度:>70CP

   說明:1、由于硅棒的連接處使用的是一種水溶性膠,因此要求水含量必須<0.5%

   2、聚乙二醇液體作為介液,其最重要的一項指標就是黏度指標,切割過程中就是利用聚乙二醇的黏度,使碳化硅磨料附著在鋼絲上。因為在切割時,鋼絲不是來回帶動磨料對硅棒進行切割,而是單程的。因此,介液的黏度越大,附著在鋼絲上的磨料越多,則所需消耗的鋼絲長度越短。在同樣的工藝條件下,切割10公斤硅片,用黏度為60cp的聚乙二醇比用黏度為70cp的聚乙二醇要多使用40km的鋼絲。由于回收后的聚乙二醇要返還到原廠重新利用到線切割工藝中,所以黏度指標成為衡量回收產品是否合格的一個重要標準。

   三、工藝流程圖
離心沉降

過濾


蒸發



成品

硅晶元線切割廢液聚乙二醇回收流程圖

原料液

   四、工藝簡介
   1、加水稀釋
   加入適量水稀釋的目的就是將原廢液的黏度降低,以減輕后續過程的分離壓力。黏度對過濾、超濾、微濾等步驟的影響都很大,黏度越低,這些流程的速度越快,分離效率就越高,但是加入的水量,同時影響到雙效蒸發過程的工作壓力,加水量越大,雙效蒸發所需要的能耗越大。因此加水稀釋的程度必須適當。加水稀釋的另一個作用,就是使聚乙二醇溶于水中,降低碳化硅表面黏附的聚乙二醇量,這樣在下一步的離心沉降中,使更多的聚乙二醇被分離到液相中,以提高其收率。

   2、離心沉降
   當非均相混合物(如氣固、氣液、液固、液液等組成的混合物)處在質量場中,由于各種物質所受到的質量力不同,從而得到分離,這種現象稱為沉降分離。離心沉降就是處于離心力場內的沉降分離。在分離過程中,離心機的旋轉帶動混合物的旋轉,從而產生離心力。待分離物質由于離心力作用。依比重不同而被分離。離心沉降機的分離因數,決定了它的分離能力。硅晶元線切割工藝中,使用的碳化硅磨料,是一種粉體顆粒,它的粒徑一般在70納米左右,若要將其與聚乙二醇完全分離,需要分離因數Kc>10000的離心沉降設備,而現有的普通螺旋式離心機,所以工藝流程中利用離心沉降作為分離過程的第一步,只是對固液兩相進行了初步的分離。

   3、過濾
   過濾其基本原理是在外力(重力、壓力、離心力)作用下,使懸浮液中的液體通過多孔性介質,固體顆粒被截留,從而使液固兩相得以分離。目的是進一步降低固體含量。得到較為純凈的聚乙二醇和水的混合物,可以采用特制的PG1250刮刀離心機。

   4、蒸發
   從原理上說,蒸發是利用加熱的方法,使稀溶液中的溶劑在沸騰狀態下部分氣化并將其移除的一種單元操作。被處理的料液通常是由不揮發的溶質和揮發性的溶劑組成。由綜述部分介紹的聚乙二醇的物理性質可知,相比水而言,它的揮發度很低,也就是不易揮發,因此采用蒸發的方法可以達到分離目的。蒸發的主要過程為:加熱蒸汽,又稱生蒸汽在加熱室關鍵冷凝,所放出的熱量通過管壁傳給管內的溶液。加熱蒸汽的冷凝液,由輸水器排出。需要蒸發的料液從蒸發室加入,濃縮至規定的溶液并由蒸發器底部排出,蒸發所產生的溶劑蒸汽,也就是二次蒸汽,經分離所夾帶的液體后,引至冷凝器冷凝。所謂雙效蒸發,就是指利用第一效的二次蒸汽作為第二效加熱蒸汽的蒸發過程。它的優點在于經濟性較高。


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