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变废为宝 绿色回收各显神通-硅的循环利用

关键词 硅产品循环利用 , 环保|2009-10-12 00:00:00|来源 CHIP
摘要 硅的循环利用硅是IT业的基础,所有的芯片都由硅制成,除了芯片之外,硅还是制造陶瓷和太阳能光伏电池的重要原料。芯片级多晶硅的纯度级别要求达到9个“9”以上(9N~12N),而光伏电池...
  硅的循环利用
  
  硅是IT业的基础,所有的芯片都由硅制成,除了芯片之外,硅还是制造陶瓷和太阳能光伏电池的重要原料。芯片级多晶硅的纯度级别要求达到9个“9”以上(9N~12N),而光伏电池需要的多晶硅纯度级别为6个“9”(6N)。回收的硅片如何处理才能变成制造这些高纯度产品的原料?此外,多晶硅生产过程中还会生成大量的副产物,它们还能够利用吗?
  
  硅循环利用面临的问题
  
  随着太阳能产业的发展,电池用多晶硅的需求以每年30%的速度增长,预计到2011年,全球的多晶硅需求量将达到8万吨以上,而我国目前(截至到2009年 3月)多晶硅产能可达2万吨/年,到2011年左右多晶硅产能将达到10万吨/年。无论是太阳能电池还是硅芯片,都有一定的使用寿命,当这些产品达到寿命被替换之后,如此多的硅将如何处理?循环利用是较为可行的技术方案。不过,多晶硅的价格变动幅度很大,在2005年时,多晶硅价格仅为30美元/千克,到 2008年则一路飙升到接近500美元/千克,但今后数年内,由于产能大于需求,价格可能降到100美元/千克以下,接近国内企业的生产成本(70~100美元/千克),而国外大企业的生产成本则仅为30美元/千克。如果硅循环利用的成本超过这个价格,企业将很难产生使用再生硅的热情。推动硅的循环利用,除了环境保护的法律制约之外,降低循环利用的成本也是一种重要的手段,这就要求科学家们开发更便宜,更清洁的硅循环利用技术。
  
  废弃电子级硅片的循环利用
  
  废弃的电子级硅片主要来源于回收的旧芯片,以及在晶圆厂中报废的产品,根据IBM的估计,2007年全球半导体业每年报废大约300万片晶圆,总重量大约 180余吨。由于光伏级硅的售价暴涨,它们目前最好的出路是被用作太阳能电池的原料,但这些硅片并不能直接拿来熔融成硅锭去制造太阳能电池,因为它们已经经过掺杂,还拥有金属连线和表面氧化层,必须经过一定的处理。通常除去硅片上电路和氧化层的方法是喷砂处理法和酸腐蚀法。喷砂处理法就是向硅片表面高速喷射白刚玉砂等高硬度物质,将硅片表面的电路和氧化层“打碎”并除去。酸腐蚀法就是利用氢氟酸、硝酸、乙酸配成酸腐蚀液,在对纯硅损伤较小的条件下除去金属和氧化物层等杂质。对于那些较大的硅片,喷砂法较为适宜,而较小的硅片,酸腐蚀法处理较为合适。经过这些处理后,硅片的纯度将能够满足太阳能电池的需求。目前有多家公司在从事废弃电子级硅片循环利用的研究和开发工作。
  
  2007年,IBM报道了一项更先进的废弃硅片处理工艺,工程师们以研磨垫和水除去晶圆上的电路,所得的再生晶圆不但可以供给光伏电池使用,还能作为半导体生产线中的测试晶圆。通过采用这项技术,IBM在伯灵顿的工厂在2006 年就节约了50万美元,2007年节约130万美元。美国国家污染防治圆桌会议组织(NPPR)授予该工艺为“ 2007最有价值污染防治奖(2007 Most Valuable Pollution Prevention Award)”。美国应用材料(AMAT)也曾做过废弃硅片作为测试晶圆循环利用的技术尝试,目前它已经在台湾开设工厂,引进该公司的直径为300mm的晶圆再利用设施,配备3个采用AMAT半导体工艺的洁净室。使用该设施,AMAT可将面向LSI试制的测试晶圆的重复利用次数提高到11次。
  
  废弃光伏电池用硅的循环利用
  
  光伏电池的生产和封装过程中也会有一定的废品率,一般为2~4%,随着太阳能产业的爆发式发展,在生产过程中损失的硅片总量会逐渐增加。同时,光伏电池也有一定的使用寿命,在它们完成自己的使命之后,也需要循环利用,以免造成沉重的环境负担。
  在生产过程中产生的光伏电池碎片先回收银质小组件,再经过处理和重新冶炼,还可以继续作为光伏电池原料使用。废弃的光伏电池则需先进行拆解,然后回收。这些硅除了可以重复用于光伏电池产业以外,还可以制成碳化硅和氮化硅等电工和陶瓷材料。目前全球已经有Solarworld等多家公司从事废弃光伏电池的重复利用工作。
  
  多晶硅工业副产品的重复利用
  
  多晶硅的生产工艺主要有改良西门子法、硅烷法和物理提纯法等等,其中应用最广泛的是改良西门子法。该方法首先用硅粉和氯化氢反应,生成三氯硅烷(或称三氯硅氢),三氯硅烷经过分馏和精馏后,得到高纯三氯硅烷,再被氢气还原,以气相沉积法在初始的高纯多晶硅细棒上沉积生成高纯硅。在这一工艺基础上;采用尾气干法回收工艺,并用回收的四氯硅烷氢化再生成三氯硅烷重复利用,可节约大量原料。不过,由于该法一次转化率较低,全球多晶硅产业每年依然产生大量的四氯硅烷。目前流行的做法是利用四氯硅烷生产气相法白炭黑(二氧化硅),这是一种高附加值的产品,被广泛用于橡胶、塑料和高级涂料的填料,所生成的副产物氯化氢经回收后,还可用于生产三氯硅烷。德国的瓦克公司和日本德山公司目前都使用这种工艺处理四氯硅烷。
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