专利名称：浆液循环方法
技术领域：
本发明涉及浆液循环方法。更具体的说，本发明涉及为了循环使用，从废浆液回收分散介质和磨料颗粒的浆液循环方法，所述废浆液是当借助多线锯床(下文缩写为“MWS”)、使用分散介质中分散有磨料颗粒的浆液切割脆性材料如太阳能电池用的多晶硅、半导体材料、磁性材料和陶瓷时产生的。
背景技术：
通常，从废浆液中回收分散介质和磨料颗粒的常规方法如日本未审查的专利公开平成11(1999)-156719中所述，通过使用离心分离器来分离和回收分散介质和磨料颗粒。在这一常规技术中，通过以下方式从废浆液中制备循环浆液。
首先，通过离心分离器(初级)以200-12006的超低G离心分离废浆液(这一过程通常称为“初级分离”)，将其分离成主要含有磨料颗粒的高密度液体和主要含有硅粉尘的低密度液体。所述主要含有磨料颗粒的高密度液体通常称为磨料颗粒回收液或初级回收液。然后将所述主要含有硅粉尘的低密度液体倒入2000-3500G下的离心分离器(次级)中(这一过程通常称为“次级分离”)，将其分离成含有粉尘和磨料颗粒(在初级分离中未回收或者已经细化(grained))的固体(通常称为“污泥”)和分散介质。之后，将第一离心分离中获得的含有磨料颗粒的高密度液体和第二离心分离中获得的分散介质相互混合，另外根据具体的比重和粘度要求，往其中混入新的磨料颗粒和新的分散介质，制备循环浆液。这一循环浆液可以再次用于MWS。
根据上述方法，当废浆液中硅粉尘的量为5重量％或更低，可以再次制备切割晶片用的浆液，同时几乎没有除去介质。但是，当废浆液中硅粉尘的量为5重量％或更多时，磨料颗粒的切割性能会削弱，由此在切割之后在晶片上常出现如厚度不均(TTV)、弯曲和破损的缺陷，影响生产。此外，不仅在切割金属线中出现破裂，使产率为0％，而且，多线锯床的主要元件也会受到严重的损伤(例如，捆丝导向器的损坏)，导致其可利用性变差。
而且，当使用一定量的浆液并将其倾倒入容器中，直到使用水溶性或水性分散体介质完成晶片切割，或者循环使用少量浆液，硅粉尘的量在切割过程中为12重量％或更多。在这种情况下，浆液的粘度增大。由于粘度增大，所述浆液会滞留在晶片之间，使晶片以外缘(skirt)形式(桃状)铺展，阻碍拉延金属丝。或者若存在拉延，所述金属丝会使晶片开裂，使产品恶化。也可以将固体物质粘附到晶片表面上，并且需要花劳力和时间来清除粘附的物质。
当使用油状分散体介质并且在切割过程中浆液含有15重量％或更多的硅粉尘时，也存在类似的问题。
为了防止这类问题，要处理若干百分数到约高达70％的次级分离中所含循环分散体介质。
此外，当不如上所述循环浆液时，要在完成切割之后将一定量或者所有废弃的浆液从容器中抽出并进行处理。然后在容器中混入含有新磨料颗粒和新分散体介质的分散体，进行使用。确定新磨料颗粒和新分散体介质的量，同时检查存在弯曲的程度、TTV、晶片的开裂以及当使用浆液循环装置时的精度。通常，处理容器容积的一半或三分之一的废浆液，并且往其中混入相应量的混有新磨料颗粒和新分散体介质的分散体，制备新的浆液。
不考虑循环或不循环浆液，必须处理昂贵的磨料颗粒和分散介质。而且，由于这种废料作为工业废料进行处理，这种废料的成本也会提高通过切割获得的晶片的价格。
发明内容
本发明提供浆液循环方法，该方法包括如下步骤在存在含有磨料颗粒和其中分散有磨料颗粒的分散体介质的浆液下将切割硅坯料形成的含有硅粉尘的废浆液分离成主要含有磨料颗粒的分散体和主要含有硅粉尘的分散体；通过任一方法回收所述分散介质(1)使用5000G或更大的离心力，离心分离主要含有硅粉尘的分散体；(2)使用低G的离心力然后使用较高G的离心力，离心分离主要含有硅粉尘的分散体；(3)离心分离并蒸馏主要含有硅粉尘的分散体；(4)蒸馏主要含有硅粉尘的分散体；使用磨料颗粒或者主要含有磨料颗粒的分散体重新制备浆液，并回收分散体介质。
通过下文所示的详细说明，本发明的这些和其它目的将变得更加清晰明了。但是，应理解详细的说明和具体的实施例虽指出了本发明优选的实施方式，但它们仅是以说明的目的给出，这是由于通过这一详细说明，本发明精神和范围内的各种改变和修改对本领域的技术人员来说是显而易见的。
图1是用于本发明浆液循环方法的设备的示意图；图2(a)和(b)是显示离心力和固体浓度之间关系的图；图3是用于本发明浆液循环方法的设备的示意图；图4是显示离心力和固体浓度之间关系的图；图5是用于本发明浆液循环方法的设备的示意图；图6是说明实施例4中浆液循环方法的回收百分数的图；图7是显示离心力和分散体介质回收之间关系的图。
具体实施例方式
首先，本发明循环的浆液至少包括磨料颗粒和分散体介质。至于磨料颗粒和分散体介质，可以使用本技术领域中可以获得的任意磨料颗粒和分散体介质。所述分散体介质的具体例子包括水、水性有机溶剂以及它们的混合物，油状有机溶剂(如矿物油)。还可以含有磨料颗粒和分散体介质以外的组分，如少量的无机物质等。例如，所述各磨料颗粒的细度为18-22微米，且在分散体介质中含有30-70重量％。
所述浆液用于通过切割硅坯料来制备硅晶片。所述切割方法的例子包括但不限于使用切割装置如外周切割锋、内周切割锋以及钢丝锯并使浆液流经切割区域来切割硅坯料。
由上述切割形成的废浆液除了含有硅粉尘和辗碎的磨料颗粒物质以外，可以含有磨料颗粒和分散体介质。本发明涉及回收废浆液的方法。这里，若所含硅粉尘为12重量％或更多的话，本发明降低废料的效果可以进一步提高。废浆液中硅粉尘含量的上限宜为25重量％。
本发明循环方法包括如下步骤将废浆液分离成主要含有磨料颗粒的分散体和主要含有硅粉尘的分散体；从主要含有硅粉尘的分散体中回收分散体介质；并使用磨料颗粒或者主要含有磨料颗粒的分散体重新制备浆液并回收分散体介质。
首先，通过已知的方法如沉积或离心分离，将所述废浆液分离成主要含有磨料颗粒的分散体和主要含有硅粉尘的分散体，但是上述分离废浆液的方法并不局限于此。尤其优选的是在200-1200G的超低G下进行离心分离。
接着，用以下任一方法处理主要含有硅粉尘的分散体，以回收分散体介质(1)用5000G或更高的离心力进行离心分离；(2)用低G离心力进行离心分离，然后用较高的离心力进行离心分离；(3)进行离心分离和蒸馏；(4)进行蒸馏。
按照方法(1)，由于回收分散体介质中残留的硅粉尘量相对常规方法来说可以降低，所以废料的量可以进一步降低。所述离心力宜为5000-20000G。
按照方法(2)，由于回收所述分散体介质的离心分离分两步进行，可以更有效地回收分散体介质。尤其是当低G离心力为2000-4000G，且高G离心力为5000G或更高时，可以比所述方法(1)更有效地回收分散体介质。高G离心力更好是5000-20000G。
按照方法(3)，通过结合离心分离和蒸馏，可以在更短的时间以更高的纯度回收分散体介质。该方法中，离心力宜为2000G或更高，更好是5000-20000G。至于蒸馏方法，可以使用任何已知的方法，没有任何限制。
按照方法(4)，可以以更高的纯度回收分散体介质。至于蒸馏方法，可以使用任何已知的方法，没有任何限制。
使用主要含有磨料颗粒的分散体和上述方法制得的回收分散体介质，可以重新制备浆液。更具体地说，若主要含有磨料颗粒的分散体和回收分散体介质的混合物满足浆液性能，这可以直接用作浆液，并且若需要的话，可以新加入磨料颗粒和分散体介质。
实施例现在，通过实施例详细说明本发明，但是应注意本发明并不限制于这些实施例。
实施例1
在制造太阳能电池时，为了生产容量的目的，主要使用MWS。例如，借助MWS通过单切割操作可以一次性加工四块硅坯料(125宽×125厚×400长)，生产约320块晶片(125宽×125厚×0.3长)。
这一过程中使用的用于容纳浆液的容器的容量约为200升。在容器中，以1∶1的重量比混合磨料颗粒(比重3.21)和分散体介质(比重1，主要含有水和水溶性有机溶剂)，所得混合物用作浆液。在切割过程中，每一次切割操作浆液中将混入约20千克固体如硅粉尘。
当如常规技术部分所述使用浆液循环装置回收这种废浆液时，在废浆液中残留有约12％的硅粉尘。实际上，为了降低残留的硅粉尘，要处理约50％-70％的次级分离液。结果，在循环浆液中仍残留有离心分离中约6％的硅粉尘。不过硅粉尘的去除百分数不超过约50％。
相反，本发明集中在降低次级分离液中的废料。现在使用图1来说明本发明。图1显示了用于本发明浆液循环方法的装置结构。
首先，将废浆液回收容器4中的废浆液通过导管10引入初级离心分离器1中，并且所述初级离心分离器1在600G(超低G)的离心力下操作(通常称为“初级分离”)，将废浆液5分离成主要含有磨料颗粒的分散体(高密度液体)和主要含有硅粉尘的初级分散体(低密度液体)。然后将所述主要含有硅粉尘的初级分散体通过导管11加入5000G下的次级离心分离器2中(通常称为“次级分离”)，分离成含有在初级离心分离中未回收的硅粉尘和磨料颗粒或者精细研磨的磨料颗粒的泥浆8和分散体介质。接着，将所述分散体介质通过导管14转移到分离器25中，分离器25除去不想要的废液7，获得回收分散体介质6。然后将回收分散体介质6通过导管15转移到回收分散体介质容器19中。
然后，分别通过导管12和导管22将所述主要含有磨料颗粒的分散体和通过两步离心分离获得的回收分散体介质6混合在回收浆液容器23中。并根据比重和粘度等，将新磨料颗粒24a和新分散体介质24b混入其中，制得循环浆液9。这种循环浆液可以用于MWS。在图中，标号13和16各表示导管，标号18表示泥浆容器，且标号21表示废液容器。
如图2(a)所示，所述废浆液含有约20重量％固体(硅粉尘、未回收的磨料颗粒等)，并通过5000G离心分离可以将回收分散体介质6中的固体含量降至4重量％或更低。因此，即使硅粉尘保持在约8％的浓度，处理的废液量可以降至25％(通常为70％)。
虽然上述实施例用于混合主要含有磨料颗粒的分散体和回收分散体介质6来制备浆液的情况，但是很明显，可以混入新磨料颗粒和回收分散体介质来循环浆液。
实施例2现在参考图3说明本发明的另一实施例。图3显示了用于本发明浆液循环方法的装置结构。
将分散体介质中分散有磨料颗粒的浆液用于一组MWS钢丝中，并切割硅坯料。在切割后循环至少含有硅粉尘、磨料颗粒和分散体介质的废浆液中，进行低G下的次级离心分离，之后进行更高G离心力下的第三离心分离，由此，提高固体除去性能，并且可以在更短的时间内制备循环浆液。
现在进行更加详细的说明。通过导管10将废浆液5引入初级离心分离器1中，并通过在600G(超低G)的离心力下操作初级离心分离器1(通常称为“初级分离”)，所述浆液5分离成主要含有磨料颗粒的分散体(高密度液体)和主要含有硅粉尘的初级分散体(低密度液体)。然后，使用导管11将所述主要含有硅粉尘的初级分散体引入3500G下的次级离心分离器2(通常称为“次级分离”)，将其分离成含有硅粉尘、在初级分离中未回收的磨料颗粒、精细研磨的磨料颗粒等的泥浆和分散介质。接着，用分离器25除去不想要的废液7。
然后，将所得分散介质引入高G(5000G)下的第三离心分离器3，进一步除去固体，由此获得回收分散体介质6。然后，混合主要含有磨料颗粒的分散体和通过三次离心分离获得的回收介质6。而且，根据比重和粘度将新磨料颗粒24a和新分散体介质24b混入其中，并制备循环浆液9。这种循环浆液可以用于MWS。
如图2(b)所示，此处次级分离之后的分散体介质含有约10％固体(硅粉尘、未回收的磨料颗粒等)，且所述分散体介质可以通过不低于5000G的离心力纯化到1％或更低。这使得要处理的废液的量降低至10％(通常为70％)，同时硅粉尘保持在约8％的浓度。
至于制备循环浆液的时间，当在进行5000G下的离心分离之前进行3500G下的离心分离时，相比实施例1中的4小时，它仅花费3小时来制备600升循环浆液。
实施例3实施例3的方法和实施例2中的浆液循环方法类似，除了初级离心分离的离心力为2000-4000G，且次级离心力为5000G或更高。使用图4说明这一实施例。图4是显示当次级离心分离的离心力以1000G从0G增至50006，同时保持第三离心力为5000G时硅粉尘的残留量。如上所述，发现当次级离心分离的离心力在2000G-4000G的范围内变化时，除去比率显著降低，并且制备所述循环浆液的时间降低。
实施例4实施例4是一种浆液循环方法，该方法的特点是使废浆液进行离心分离并随后进行蒸馏。参考图5说明实施例4。图5显示了实施例4所用的装置结构。
所述起始浆液以1∶1的比率含有磨料颗粒和分散体介质，切割后废浆液的三分之一被抽出(下文中，称为“废浆液27”)，并加入相应量的新浆液。重复上述过程若干次，制得废浆液27，其以约20％∶45％∶36％(重量)的比率含有硅粉尘、磨料颗粒和分散体介质。MWS如坯料等的条件如实施例1所述。
在图5中，通过导管10将废浆液27加入初级离心分离器1。初级离心分离器1在3100G的离心力下操作，将浆液分离成泥浆8和回收液。然后在蒸馏装置31中蒸馏所述回收液，获得回收分散体介质6。将所述蒸馏装置加热到分散体介质的沸点以上20℃。回收分散体介质6是不含固体的分散体介质。然后将回收分散体介质6在循环浆液容器29中和新浆液30混合，形成循环浆液28。
循环的条件如图6所示。如图6可见，从废浆液中可以回收80％分散体介质。通过在蒸馏系统中使用离心分离可以实现如下优点当设备相同时由于组合使用离心分离和蒸馏，可以降低蒸馏时间，降低设备成本以及降低燃油成本和耗电成本。
比较通过图5所述相同的设备仅进行蒸馏操作的情况和进行离心分离以及蒸馏的情况，当使用离心分离和蒸馏时，处理100千克废浆液27仅花费45分钟，而在处理能力为100千克/小时的蒸馏系统中仅进行蒸馏操作时则需要1小时。
相比仅使用蒸馏的情况，在组合使用离心分离和蒸馏的情况下在相同处理时间内的设备成本高约1.2-1.5倍。而且，当使用沸点为105℃的分散体介质时燃油成本和耗电成本之间的差异对组合使用离心分离和蒸馏的情况来说，约为每千克废浆液5元；对仅使用蒸馏的情况来说约为10元。
而且在这一实施例中，从图7可见，初级离心分离的离心力为2000G或更高，分散体介质的回收可以为80％或更高。
尤其是当离心力为3100G时，表1中所示的废浆液可以如表2所示进行分离。
实施例5参考图3和图7说明实施例5。在实施例5中，使用蒸馏装置31来代替图3中的分离器25、导管15、16、废液容器21和第三离心分离器3。对废浆液进行离心分离，从废浆液中分离出主要含有有用磨料颗粒的初级分散体介质。对所述初级分散体介质进一步进行离心分离，并且将所得含有分散体介质和废液7的废弃分散体进行蒸馏以回收分散体介质。因此，可以回收更多量的分散介质。图7显示当切割之后废浆液通过离心分离和蒸馏进行加工时相应离心力下分散体介质的回收，所述废浆液至少含有硅粉尘、磨料颗粒、分散介质，并在为一组MWS钢丝提供其中的分散体介质中分散有磨料颗粒的浆液之后出现，以将硅坯料切割成晶片。
根据本发明，对回收分散体介质的改进可减少工业废料，使晶片的生产成本在不影响晶片精度的条件下降低。而且，工业废料的降低也有利于周围的环境。
权利要求
1.浆液循环方法，该方法包括如下步骤在存在含有磨料颗粒和其中分散有磨料颗粒的分散体介质的浆液下将切割硅坯料形成的含有硅粉尘的废浆液分离成主要含有磨料颗粒的分散体和主要含有硅粉尘的分散体；通过下述任一方法回收所述分散介质(1)使用5000G或更大的离心力，离心分离主要含有硅粉尘的分散体；(2)使用低G的离心力然后使用较高G的离心力，离心分离主要含有硅粉尘的分散体；(3)离心分离并蒸馏主要含有硅粉尘的分散体；(4)蒸馏主要含有硅粉尘的分散体；使用磨料颗粒或者主要含有磨料颗粒的分散体重新制备浆液，并回收分散体介质。
2.权利要求1所述的浆液循环方法，其特征在于所述废浆液中硅粉尘的含量为12重量％或更高。
3.权利要求2所述的浆液循环方法，其特征在于所述废浆液中硅粉尘的含量为12-25重量％。
4.权利要求1所述的浆液循环方法，其特征在于所述将废浆液分离成主要含有磨料颗粒的分散体和主要含有硅粉尘的分散体是通过200-1200G离心力下的离心分离进行。
5.权利要求1所述的浆液循环方法，其特征在于所述分散体介质的回收通过方法(2)来进行，所述低G离心力为2000-4000G，所述较高G离心力为5000G或更高。
6.权利要求5所述的浆液循环方法，其特征在于所述较高G离心力为5000G-20000G。
7.权利要求1所述的浆液循环方法，其特征在于所述分散体介质的回收通过方法(3)来进行，且所述离心分离在2000G或更高离心力下进行。
8.权利要求7所述的浆液循环方法，其特征在于所述离心力为5000G-20000G。
9.权利要求1所述的浆液循环方法，其特征在于所述回收分散体介质含有4重量％或更少的主要包含硅粉尘和磨料颗粒的固体。
全文摘要
浆液循环方法，该方法包括如下步骤将含有硅粉尘的废浆液分离成主要含有磨料颗粒的分散体和主要含有硅粉尘的分散体，所述废浆液是在存在含有磨料颗粒和其中分散有磨料颗粒的分散介质的浆液下由切割硅坯料形成的；通过离心和/或蒸馏所述主要含有硅粉尘的分散体来回收分散介质；并用磨料颗粒或主要含有磨料颗粒的分散体和所回收的分散介质重新制备浆液。
文档编号B28D5/04GK1460574SQ03140908
公开日2003年12月10日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年5月24日
发明者梶本公彦 申请人:夏普株式会社