[发明专利]一种以回收硅片切割锯屑制备高纯α相氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及常压直接氮化合成氮化硅粉体的方法，特别涉及以回收硅片锯屑粉为原料，在无稀释剂、催化剂的条件下一次氮化合成氮化硅粉体的方法，属于无机非金属材料制备技术领域。

背景技术

氮化硅陶瓷具有独特的物理机械性能，如低密度、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、优良的热稳定性，在航空、航天、化学工业、能源、机械制造、兵器工业、金属冶金等领域有着广泛的应用前景。但氮化硅陶瓷的高成本与氮化硅粉体的质量制约了氮化硅的规模化应用。

国际上研究开发的氮化硅粉体制备技术各有优缺点。UBE公司的硅亚胺热解法，产品质量高，但工艺复杂，制备成本昂贵，而较少企业采用；气相合成法难以实现大规模生产；氧化硅碳热还原法所制备的产品中含有较高的碳污染；目前多数企业仍然沿用硅粉氮化方法，其中一般需采用二次氮化、添加稀释剂、添加催化剂、流态化技术、硅粉机械活化处理等技术。这类技术普遍存在制备周期长、能耗高、产物杂质含量高、设备复杂且成本高等缺点。

在太阳能电池基板、集成电路用基板、电子芯片、精密半导体芯片等薄片状产品的制备过程中产生大量的硅片锯屑，包括带锯屑、磨屑、金刚石线锯屑等。以硅晶圆线切割为例，硅片厚度一般约为0.22mm，线锯缝宽度为0.18～0.30mm，这意味着40～60％高纯硅料成为锯屑进入料浆。除碳化硅磨料砂浆配合钢丝线锯切割硅晶圆所产生的废旧锯屑外，其它切割工艺产生的废旧锯屑主要成分为硅颗粒以及少量金属杂质，部分锯屑中含有聚乙二醇等冷却液。其硅颗粒仅为表面受到金属杂质等污染，内部仍为高纯硅材料，杂质未进入硅晶格，故可通过常规酸洗、水洗工艺获得高纯硅粉体。但由于硅粉体的粒径过细、氧含量过高，无法直接用于直拉单晶硅棒、铸造多晶硅锭原料。因此，如何充分利用回收提纯的硅锯屑成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种用于特种陶瓷制备和光伏坩埚涂层等的原料粉体的制备方法，特别是提供了一种低成本制备高纯α相氮化硅粉体的方法，更特别的是提供了一种一种以回收硅片切割锯屑制备高纯α相氮化硅粉体的方法。本发明工艺简单，且制备成本低廉。

本发明是这样来实现的，一种以回收硅片切割锯屑制备高纯α相氮化硅粉体的方法，包括如下步骤：

一、氮化：采用气氛保护炉对回收提纯的硅片锯屑粉进行氮化，氮化时采用的保护气氛为氮气、氮氢混合气、氨气中一种或几种混合气体，采用氩气作为辅助气体，最高温度为1250℃～1380℃，氮化过程中保温时间根据原料的用量来确定，原料用量越多，保温时间越长；

二、粉磨：以粉磨设备，如球磨机、振动磨、搅拌磨、气流粉碎机等对氮化产物进行粉磨，直至达到所需粒度要求；

三、酸洗：使用无机酸对粉磨出的氮化硅微粉进行酸洗除杂；

四、水洗：水洗去除酸洗后残余的酸和其他杂质；

五、干燥：烘干得到高纯α相氮化硅粉体。

在上述方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

所述硅片锯屑粉是通过对多晶硅与单晶硅太阳能电池片、电子半导体产业使用的硅晶圆切割所产生的锯屑废料，包括带锯屑、磨屑、金刚石线锯屑，以及硅烷法生产多晶硅过程中产生的超细硅粉进行常规的酸洗、水洗、烘干工艺回收提纯获得的。

所述氩气的体积分数可在0％～80％之间变化。且随氮化时间的延长，氩气体积分数可逐渐降低。优选为10％～60％。

所述氮氢混合气中氢气的体积分数可在0％～50％范围内变化，优选为5％～15％。

所述氮化温度可选取两段或多段进行，第一阶段温度为600℃～900℃，可以较快速度每分钟5℃～10℃升温；随后以每分钟1℃～5℃速度升温，最高温度为1250℃～1380℃。

本发明的技术效果是：本发明基于发明人对高纯氮化硅粉体合成的大量系统实验研究提出。回收提纯的硅锯屑在氮化初期经简单处理后可直接制备出高纯氮化硅粉体，所得产品纯度高，α相含量＞93％，氧含量＜1.5％，粉体烧结活性高，可作为特种陶瓷制备和光伏坩埚涂层等的原料粉体。该制备方法不仅可以大幅降低原料成本，而且制备过程中无任何添加剂并一次氮化完成，降低了产品的制备成本，同时提高了产品的纯度。

附图说明

图1为本发明实施例1所述制备的氮化硅产物XRD图谱。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合优选实施例对本发明进一步详细阐明。