[发明专利]一种低温低成本高纯碳化硅超细微粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体和太阳能硅材料技术领域，具体地说是一种低温低成本高纯碳化硅超细微粒的制备方法。

背景技术

在碳、氮、硼等非氧化物的耐火原料中，碳化硅是应用最广泛、最经济的一种，被称为金钢砂或耐火砂。目前中国工业生产的碳化硅主要分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。晶体碳化硅是一种半导体材料，具有优良的导热性能，高温时能抗氧化性能较好；其硬度较高，仅次于金刚石材料。但是，目前的工业碳化硅纯度都较低、含有杂质，工业碳化硅含杂质的种类和含量不同，呈现浅黄、绿、蓝乃至黑色，许多高端应用因工业碳化硅纯度不高而受到限制。

随着半导体工业的快速增长，特别是太阳能电池行业的高速发展，高纯晶体硅材料得到了广泛的应用。晶体硅可被制成多晶硅锭或是被拉成单晶硅棒，然后切割成硅片作为制造器件用的衬底材料。在2013年之前，太阳能电池用的主要是多晶硅片，先将高纯硅铸成多晶硅锭，然后用不同工艺的切割方法割成硅片。自2014年开始，由于太阳能电池市场应用的快速增长，硅材料需求不断上升，高纯硅材料的制造成本对太阳能电池行业发展造成了巨大的压力。为了降低制造成本，在硅片切割工艺方面引入了超细金刚石线切割工艺。随着对晶体硅电池性能提升的不断要求，太阳能电池行业已开始大批量使用单晶硅材料来生产高效率的太阳能电池。在硅片切割工艺过程中，通过技术进步和工艺改进，可大幅减少切割硅料浆中的有机物和金属成分。

在以碳化硅浆料为主的传统线切割工艺中，由于如聚乙二醇PEG等的有机物含量高、硅粉颗粒大等原因，一般切割料浆中的硅粉含量约为50-52%。常用的废料处理和提纯一般是用化学处理-高温处理-定向凝固等方法。除了提纯高纯硅以外，切割废砂浆料更好的应用是经过低成本清洗后直接制成碳化硅、氮化硅等硅化合物，其中尤以碳化硅的制备作为废砂应用的重要方向。碳化硅化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途。因此，将太阳能电池制作工艺中的硅片切割料浆提纯制备碳化硅是非常重要的应用。

目前制备碳化硅的工艺多数采用高纯硅粉和高碳物料混合在高温条件下烧结，如公开号为CN103708463A、CN101302011A和102701208A的专利文件中所述，碳化温度都达到了1500℃以上，且获得的碳化硅颗粒尺寸较大，一般都是数微米以上。

也有专利提出采用低温烧结方法，如申请号为2015102353736.4的专利文件中，通过碳纤维和高纯硅粉的低温烧结获得碳化硅，虽然权利要求书中提出采用的处理温度的高温部分是在1000-1300℃下进行的，但说明书所有的实施例中陈述的高温区全部在1800℃以上。另外，该工艺由于制备的是较大颗粒碳化硅，处理时间长。

申请号为201510726067.8的专利文件中，选用了多晶硅切割废料作为碳化硅制备原料，由于采用的是多晶硅切割废料，一方面含硅颗粒大，另一方面还会有较多的金属杂质，因此其工艺步骤复杂，需要进行湿法除铁工艺，成本高且会发生二次废液排放；该工艺中采用的低温碳化工艺，但其温度也超过了1400℃。

在申请号或公开号为201310298019.4、CN 1472136A、201510726067.8、201510253736.4和201080048287.5的现有技术中，提出了将大颗粒硅粉与碳含量高的碳源，包括石墨、高碳有机物材料（酚树脂、Franc树脂、二甲苯树脂、聚酰亚胺、聚胺脂、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯酸乙烯脂、沥青、焦油、纤维素、糖、淀粉等）直接混合，组成混合物后再进行高温烧结。现有技术的碳化工艺都必须先对硅粉进行去除水分步骤，这一过程不仅需要消耗能量，还会导致硅粉与含碳原料无法混和均匀，造成碳化不彻底、碳化硅颗粒团聚、碳化硅质量差等问题；现有技术所提及的工艺都是针对较大颗粒的硅碳化，因此处理温度非常高，都要在至少1300℃以上才能完全碳化。

为了解决现有工艺制备碳化硅的高温处理技术瓶颈，在现有的金刚石线切割工艺中，一般线径较粗为150-300µm，因采用含有PEG有机物的切割水溶液，在切割硅片过程中所产生的硅微粒大小不一。切割后，含硅粉的混合液分离和提纯工艺复杂。一般都采用沉淀或压滤法脱水的方式制成硅泥，之后再进行提纯；同时还要对有机废水进行处理。此工艺处理难得大、成本高，很难得到高纯的硅微粒粉末。

总体而言，现有技术的过程复杂，需要加入大量的碳源，成本较高，因此，需要设计和发明一种低温低成本高纯碳化硅超细微粒的制备方法。

发明内容