专利名称：晶硅片切割刃料的制备方法
技术领域：
本发明涉及切割、研磨材料领域，具体涉及一种晶硅片切割刃料的制备方法。
背景技术：
碳化硅(SiC)是一种人造材料，地壳上至今尚未发现有天然碳化硅矿产。人造碳 化硅的生产工艺是由美国的Acheson博士于1893年发明并投入工业化生产的，其生产工艺 一直沿用至今。碳化硅具有很强的离子共价键，Si-C键结合约87%为共价键，在成键时形 成SP3杂化轨道，形成类金刚石结构的四面体基本结构单元。碳化硅具有高达1250kJ/mol 的原子化能值，其德拜温度也很高达到1200 1430K，因此决定了碳化硅材料对于各种外 界作用的稳定性。SiC具有很高的硬度和熔点，其高温强度高，耐磨耐腐蚀性能好，SiC的热 导率 高、热膨胀系数小，其优良的抗热震性为SiC材料广泛应用奠定了良好的基础。碳化硅微粉作为切割刃料在太阳能晶硅片和半导体晶圆片的生产领域有着广泛 的应用，是晶硅片线切割生产过程中不可或缺的专用切割刃料或磨料。随着光伏行业的快 速发展，国内的刃料生产厂家由于生产设备及技术能力的限制，其刃料产品无论从产量还 是质量都无法满足切割厂家的要求。1997年前，国内厂家对此类刃料产品的需求严重依赖 进口，大大制约了国内光伏行业的快速发展。近几年，我国刃料生产技术取得一些进步，如 中国专利文献CN 100360400C中公开了一种由高纯度6H_SiC为原料制备半导体材料线切 割专用刃料的方法，采用了气流磨的粉碎的生产工艺，生产出的产品等积形较多达到90% 以上，产率较高，但气流磨的总体产量低，产出的颗粒形状较圆，锋利度较差，而且存在隐性 裂纹，不利于切割；现有技术中也有采用雷蒙磨进行粉碎的，雷蒙磨虽然产量高，但是产率 低，产出的产品等积形较少，占50%左右，且针状、片状等形状颗粒较多，切割效率差，不耐 磨；现有技术中还有采用传统湿法球磨机进行粉碎的，其产品虽然等积形多，锋利度好，但 产量低，产率低，过粉碎严重；此外，现有一些刃料制备工艺还存在酸洗时间过长，耗水量多 大等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高产率、低能耗的晶硅片切割刃料制备方 法，其制得的刃料切割能力强，清洁度高，与切削液的适配性强，以其切得的晶硅片的TTV 较低。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种晶硅片切割刃料的制备方法，包括以下步骤，(1)原料破碎选取纯度> 98%的绿碳化硅块料，进行颚式破碎并过筛，收集粒度 ^ 5mm的碳化硅粒度砂；(2)干法球磨分级采用干式球磨分级设备对上述碳化硅粒度砂进行磨粉、分级得 粒度为4. 5 18um的碳化硅粉体；(3)酸洗在酸洗池中按1 2 5的重量比引入上述碳化硅粉体和水，再按所引入粉体质量的5% 10%加酸，搅拌反应4 10小时后脱酸以去除金属离子，得料浆； (4)溢流分级将酸洗后的料浆弓I入溢流分级装置，控制料浆浓度，根据不同的粒度 要求进行分级；(5)浓缩脱水采用刮刀离心机对分级后的料浆进行浓缩脱水处理，使所得粉料的 含水率< 8% ；采用刮刀离心机进行浓缩脱水，大大降低湿料的含水量，可降低70%的干燥 能耗；(6)烘干将浓缩脱水后的粉料送入隧道干燥窑进行干燥，使其含水率< 0. 05% ；(7)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混0. 5 2小 时；(8)精筛以超声波振动筛精筛上步所得粉料，去除结团和大颗粒杂质后即得晶硅 片切割刃料。所述干式球磨分级设备由风管依次连通的常用的干式球磨机、一级气流分级机、 二级气流分级机、旋风收集器、布袋除尘器、引风机构成。参见专利文献CN201200909Y。所述干式球磨分级设备进行磨粉、分级时，按介质球碳化硅粒度砂为3 5 1 的重量比加入介质球，干式球磨机转速控制为120 200rpm，一级气流分级机的转速控 制为800 900rpm，二级气流分级机的转速为1800 2000rpm，引风机进风量为3000 4000m3/h。控制引风机的进风量，使得达到粒度要求的微粉能够及时地被分离出来，既避免 了微粉过度研磨以及微粉的棱角被磨平等不良情况发生，又可提高生产效率和产品质量。在所述步骤(3)中，酸洗所用酸为硫酸、盐酸、醋酸中的至少一种。在所述步骤(3)中，酸洗后采用胶带真空压滤机进行脱酸以去除金属离子，使酸 洗后料浆中的Fe2O3质量百分比< 0. 15%。采用真空胶带压滤机能够缩短酸洗后水洗时间 3/4，节水 4/5。在所述步骤(4)中，溢流分级时的料浆质量浓度控制为15 25%，进水流量控制 为200 1000L/h，得到所需要的粒度集中的粒度范围的料浆。在所述步骤(5)中，采用刮刀离心机进行浓缩脱水，采用500 2000目的滤布，离 心速度为500 2000rpm。在所述步骤(8)中，超声波振动筛的能量档位调整为40 90%之间，所用筛网为 500 1500 目。本发明具有积极有益的效果1.本发明制备出的碳化硅刃料为等积形，且保持尖锐的棱角(参见图1)，保证 了碳化硅微粉作为切割刃料的均衡自锐性，切割能力强，使被切割晶硅片的TTV(Total Thickness Variance，即总厚度偏差，为晶硅片的最大厚度与最小厚度之差，用于衡量晶硅 片厚度的均勻性，TTV越大表示切割质量越差)最小化，具有硬度高、耐磨性强、抗高温性能 好、热导率高等特性，其部分产品的性能指标见表1 ；2.经过化学清洗，具备大的比表面积和清洁的外表，与聚乙二醇等切削液有很强 的的适配性；3.采用干法球磨分级系统，集球磨和分级于一体，可以提高产量和产率；本发明 制备方法的成品率达到52%，且采用该工艺粉磨后的产品颗粒大小分布更均勻，可以达到 更好的晶硅片切割效果，行业内采用一般粉磨技术的成品率(适用于硅片切割的粒度段)约为45%。
图1为本发明方法制备出的晶硅片切割刃料的扫描电镜照片。
具体实施例方式实施例1 一种晶硅片切割刃料的制备方法，包括以下步骤(1)原料破碎选取纯度> 98%的绿碳化硅块料，进行颚式破碎并过筛，收集粒度 ^ 5mm的碳化硅粒度砂；(2)干法球磨分级采用干式球磨分级设备对上述碳化硅粒度砂进行磨粉时，钢球 加入量为400kg，球料比为3 1，磨机转速为120rpm，一级气流分级机的转速为800rpm， 得到主要产品(所需粒度范围为4. 5 ISum的碳化硅粉体)，二级气流分级机的转速为 ISOOrpm，得到副产物，引风机进风量为3000m3/h。控制引风机的进风量，使得达到粒度要求 的微粉能够及时地被分离出来，避免了微粉过度研磨以及微粉的棱角被磨平等不良情况发 生，进而可提高生产效率和产品质量。所述干式球磨分级设备由风管依次连通的干式球磨 机、一级气流分级机、二级气流分级机、旋风收集器、布袋除尘器、引风机构成，可参见专利 文献 CN 201200909Y。(3)酸洗在酸洗池中按1 3的重量比引入碳化硅粉体，然后按碳化硅粉体质量的 6%添加盐酸进行搅拌反应8小时，再以胶带真空压滤机进行脱酸以去除金属离子，使所得 碳化硅粉体内的Fe2O3质量百分比< 0. 15% ；(4)溢流分级将酸洗后的料浆打入到溢流分级装置，溢流缸中料浆浓度调整为 20%，分级时进水流量为400L/h，得到1500#产品料浆，进水流量为700L/h，得到1200#产 品料浆；(5)浓缩脱水采用刮刀离心机对分级后的料浆进行脱水处理，滤布采用1500目， 离心速度为lOOOrpm，使粉体含水率小于8% ；(6)烘干将浓缩脱水后的粉料装入烘干托盘送入隧道干燥窑进行干燥，使其含水 率降至0. 05%以下；(7)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次晶硅片切割刃料送入干混机进行混 合，混配时每次投料量为5吨，混料时间为1. 5小时，确保产品均勻；(8)精筛将混合均勻的晶硅片切割刃料加入到超声波振动筛进行精筛，去除结 团和大颗粒杂质，超声波振动筛的能量档位设置为80%，采用的筛网为800目，投料量为 200kg/h。所得晶硅片切割刃料的性能指标见表2。实施例2 —种晶硅片切割刃料的制备方法，包括以下步骤(1)原料破碎选取纯度> 98%的绿碳化硅块料，进行颚式破碎并过筛，收集粒度 ^ 5mm的碳化硅粒度砂；(2)干法球磨分级采用干法球磨分级设备操作时，钢球加入量为500kg，球料比为 4 1，磨机转速为180rpm，一级气流分级机的转速为850rpm，得到4. 5 18um的碳化硅粉 体，二级气流分级机的转速为2000rpm，得到副产物，引风机进风量为3500m3/h。
(3)酸洗在酸洗池中引入上步所得碳化硅粉体和水，其重量比为1 4，然后按碳 化硅粉体质量的8%添加硫酸，搅拌反应10小时，再以胶带真空压滤机进行脱酸以去除金 属离子，使所得碳化硅粉体内的Fe2O3质量百分比< 0. 15% ；(4)溢流分级将酸洗后的料浆打入到溢流分级装置，溢流缸中料浆浓度调整为 25%，分级时进水流量为450L/h，得到1500#产品料浆，进水流量为720L/h，得到1200#产 品料浆。(5)浓缩脱水采用刮刀离心机对分级后的料浆分别进行脱水处理，滤布采用1500目，离心速度为1500rpm，使其含水率小于8% ；(6)烘干将浓缩脱水后的料装入烘干托盘送入隧道干燥窑进行干燥，使晶硅片切 割刃料的含水率小于0. 05% ；(7)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次晶硅片切割刃料送入干混机进行混 合，混配时每次投料量为4吨，混料时间为1小时，确保产品均勻；(8)精筛将混合均勻的晶硅片切割刃料加入到超声波振动筛进行精筛，去除结团 和大颗粒杂质，超声波振动筛的能量档位设置为70%，采用的筛网为1000目，投料量为 200kg/h。所得晶硅片切割刃料的性能指标见表3。实施例3 —种晶硅片切割刃料的制备方法，包括以下步骤(1)原料破碎选取纯度> 98%的绿碳化硅块料，进行颚式破碎并过筛，收集粒度 ^ 5mm的碳化硅粒度砂；(2)干法球磨分级采用干法球磨分级设备操作时，钢球加入量为500kg，球料比为 3 1，磨机转速为200rpm，一级气流分级机的转速为900rpm，得到4. 5 18um的碳化硅粉 体，二级气流分级机的转速为1900rpm，得到副产物，引风机进风量为4000m3/h。(3)酸洗在酸洗池中添加初级产品和水，其重量比为1 2. 5，然后按碳化硅粉体 质量的8%添加硫酸，搅拌反应6小时，再以胶带真空压滤机进行脱酸以去除金属离子，使 所得碳化硅粉体内的Fe2O3质量百分比< 0. 15% ；(4)溢流分级将酸洗后的料浆打入到溢流分级装置，溢流缸中料浆浓度调整为 15%，分级时进水流量为500L/h，得到1500#产品料浆，进水流量为800L/h，得到1200#产 品料浆。(5)浓缩脱水采用刮刀离心机对分级后的料浆分别进行脱水处理，滤布采用1800 目，离心速度为2000rpm，使其含水率小于8% ；(6)烘干将浓缩脱水后的料装入烘干托盘送入隧道干燥窑进行干燥，使晶硅片切 割刃料的含水率小于0. 05% ；(7)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次晶硅片切割刃料送入干混机进行混 合，混料时间为1小时，确保产品均勻；(8)精筛将混合均勻的晶硅片切割刃料加入到超声波振动筛进行精筛，去除结团 和大颗粒杂质，超声波振动筛的能量档位设置为80%，采用的筛网为1200目。表1晶硅片切割刃料主要质量指标 表2晶硅片切割刃料主要指标
表3晶硅片切割刃料主要指标
权利要求
一种晶硅片切割刃料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)原料破碎选取纯度≥98％的绿碳化硅块料，进行颚式破碎并过筛，收集粒度≤5mm的碳化硅粒度砂；(2)干法球磨分级采用干式球磨分级设备对上述碳化硅粒度砂进行磨粉、分级得粒度为4.5～18um的碳化硅粉体；(3)酸洗在酸洗池中按1∶2～5的重量比引入上述碳化硅粉体和水，再按所引入粉体质量的5％～10％加酸，搅拌反应4～10小时后脱酸以去除金属离子，得料浆；(4)溢流分级将酸洗后的料浆引入溢流分级装置，根据不同的粒度分级要求，调节料浆浓度，进行溢流分级；(5)浓缩脱水采用刮刀离心机对分级后的料浆进行浓缩脱水处理，使所得粉料的含水率≤8％；(6)烘干将浓缩脱水后的粉料送入隧道干燥窑进行干燥，使其含水率＜0.05％；(7)混配将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混0.5～2小时；(8)精筛以超声波振动筛精筛上步所得粉料，去除结团和大颗粒杂质后即得晶硅片切割刃料。
2.根据权利要求1所述晶硅片切割刃料的制备方法，其特征在于，所述干式球磨分级 设备由风管依次连通的干式球磨机、一级气流分级机、二级气流分级机、旋风收集器、布袋 除尘器、引风机构成。
3.根据权利要求2所述晶硅片切割刃料的制备方法，其特征在于，所述干式球磨分级 设备进行磨粉、分级时，按介质球碳化硅粒度砂为3 5 1的重量比加入介质球，干式球 磨机转速控制为120 200rpm，一级气流分级机的转速控制为800 900rpm，二级气流分 级机的转速为1800 2000rpm，引风机进风量为3000 4000m7h。
4.根据权利要求1所述晶硅片切割刃料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中， 酸洗所用酸为硫酸、盐酸、醋酸中的至少一种。
5.根据权利要求1所述晶硅片切割刃料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中， 酸洗后采用胶带真空压滤机进行脱酸以去除金属离子，使酸洗后料浆中的Fe203质量百分 比< 0. 15%。
6.根据权利要求1所述晶硅片切割刃料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)中， 溢流分级时的料浆质量浓度控制为15 25%，进水流量控制为200 1000L/h，得到所需 要的粒度集中的粒度范围的料浆。
7.根据权利要求1所述晶硅片切割刃料，其特征在于，在所述步骤(5)中，采用刮刀离 心机进行浓缩脱水，采用500 2000目的滤布，离心速度为500 2000rpm。
8.根据权利要求1所述晶硅片切割刃料，其特征在于，在所述步骤(8)中，超声波振动 筛的能量档位调整为40 90%之间，所用筛网为500 1500目。
全文摘要
本发明涉及一种晶硅片切割刃料的制备方法。其以高纯度绿碳化硅为原料，经由颚式破碎并过筛、干法球磨分级、酸洗、溢流分级、浓缩脱水、烘干、混配、精筛等步骤而制成的晶硅片切割刃料。本发明的有益效果制备出的碳化硅刃料为等积形且保持尖锐的棱角，切割能力强，晶硅片的TTV最小化；经过化学清洗，具备大的比表面积和清洁的外表，与聚乙二醇等切削液有很强的适配性；采用干法球磨分级系统，集球磨和分级于一体，可以提高产量和产率；本发明制备方法的成品率达到52％，且采用本发明工艺粉磨后的产品颗粒大小分布更均匀，可以达到更好的晶硅片切割效果，行业内采用一般粉磨技术的成品率(适用于硅片切割的粒度段)约为45％。
文档编号C01B31/36GK101870469SQ20101018776
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者姜维海, 宋贺臣, 罗小军, 郝玉辉 申请人:河南新大新材料股份有限公司