淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


  查詢圖書館館藏目錄
系統識別號 U0002-2907200911481200
中文論文名稱 電場促進矽切割廢料中矽與碳化矽之回收
英文論文名稱 Recovery of Si and SiC from silicon sawing waste using electric field
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 唐瑋雋
研究生英文姓名 Wei-Chun Tang
學號 696401347
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-16
論文頁數 78頁
口試委員 指導教授-蔡子萱
委員-吳永富
委員-周偉龍
中文關鍵字   碳化矽  分離    電場 
英文關鍵字 silicon  silicon carbide  separation  iron  electric field 
學科別分類
中文摘要 在製造矽晶圓過程中,切割步驟造成了大量的廢料產生以及矽原料浪費;因此,除了回收廢料中具有高經濟價值的碳化矽研磨粒子外,隨著矽原料價格日漸攀升,回收切損的矽變得越來越重要。本研究探討電場下,矽與研磨粒子的分離機制,並分析實際工廠產出的切割廢料在電場促進下的分離效果。研究可分為五個部份;首先,以矽與碳化矽粒子混合來模擬矽泥,測量兩種粒子的特性差異,以作為設計分離槽的計算依據;之後,運用在實際分離工廠之切割廢料,並研究不同酸鹼值下的分離效果。依照原始分離槽的缺失改良其結構,比較兩種水槽處理工廠切割廢料的效果;於矽與碳化矽分離後,分析其中金屬的移除情形,並提升金屬移除率;最後,以矽與氧化鋁混合來模擬矽泥,並評估其分離效果。根據欲分離的粒子特性差異與理論計算得知,分離期間粒子沈降的終端速度、角度與橫向位移會受到密度、粒徑大小以及表面帶電性質等因素的影響,以致分離效果不同。在適當的參數條件下,實際分離工廠切割廢料中的矽與碳化矽,可使回收的碳化矽含量由原來的72 wt.%提高到90 wt.%;而回收的矽含量亦可由原來的24 wt.%提高到91 wt.%。同時,兩者的鐵含量亦可在作用後大幅下降,達到無法以離子偶合電漿設備檢出的效果,即濃度低於1ppb。比較矽與氧化鋁以及矽與碳化矽的分離效果發現,同樣粒徑差異的範圍下,由於矽與氧化鋁間的表面帶電差異較矽與碳化矽大,因此分離效果較好。本研究使用的分離方法免除了有毒物質與強酸的使用,並可在回收矽及研磨粒子期間,同時將含鐵的金屬雜質移除。
英文摘要 In silicon wafer manufacturing, a large number of sawing waste and silicon kerf loss were produced during cutting process. Therefore, in addition to recovering the abrasives with high economic value, silicon carbide, recycling silicon kerf may be a good solution to reduce the high cost of silicon feedstock for solar cells. This study investigated recovery of silicon and abrasives from sawing waste using electric field. The experiments can be divided into the following parts, including separation of silicon and silicon carbide of simulated slurry and plant slurry, in two tank with different structures; metal removal from sawing waste. Finally, instead of silicon carbide, the separation of silicon and alumina was also studied herein. According to the properties of particles and theoretical calculation, the moving velocity, angle and horizontal displacement of settling particles will be subject to density, particle size, charges on surface, resulting in different separation performance. The experimental results showed with appropriate conditions, the contents of silicon and silicon carbide in separated powders would be increased, where silicon carbide content could increase from 72 wt.% of original plant slurry to 91 wt.%, and silicon content could increase from the 24 wt.% to 90 wt.%. At the same time, iron could also be removed, and its content was below the detected limiting of ion-coupled plasma instrument (1 ppb). It was found separation performance of silicon and alumina was better than that of silicon and silicon carbide due to the larger charged difference between silicon and alumina than that between silicon and silicon carbide. Instead of using toxic medium or strong acid, herein, the recovery of silicon and silicon carbide with electric field was proved, and iron impurities were removed at the same time.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 序論 1
1-1 太陽能電池的發展 1
1-2 矽原料的使用狀況 2
1-3切割製程 3
1-4 切割廢料的性質及組成 4
1-5 研究動機與目的 6
第二章 文獻回顧 13
第三章 理論分析與技術 21
3-1 重力沈降原理 21
3-2電泳與表面電位 25
第四章 實驗設備與方法 30
4-1實驗藥品與材料 30
4-2 實驗項目與程序 33
4-2-1 樣品配製及前處理 33
4-2-2表面電位的測定 34
4-2-3分離槽之設計 34
4-2-4分離程序 35
第五章 實驗結果與討論 38
5-1粒子在分離槽中的移動計算 38
5-2模擬矽泥中碳化矽與矽的分離 42
5-2-1溶液pH值的效應 42
5-2-2加入擋板對分離效果的影響 44
5-3工廠矽泥中碳化矽與矽的分離 45
5-3-1碳化矽與矽的分離結果 45
5-3-2沈降時間的效應 46
5-3-3電場增加的效應 46
5-4模擬矽泥中矽與氧化鋁的分離 47
5-5使用B分離槽的分離結果 48
5-6工廠矽泥中之鐵的移除 49
第六章 結論 74
符號說明 75
參考文獻 76


表目錄
Table 1- 1各種不同太陽能電池的效率以及使用統計表 7
Table 1- 2三種不同切割矽晶圓方法之特性 8

Table 5- 1矽、碳化矽及水的基本物理性質表 51
Table 5- 2不同粒徑的矽在16.6V/cm電場以及pH7下所計算出的終端速度(Vt)、最大橫向位移(Lmax)及沉降方向與水平面之夾角(θ) 51
Table 5- 3不同pH值下,矽的泳動率與表面電位 52
Table 5- 4不同pH值下,碳化矽的泳動率與表面電位 52
Table 5- 5分離前與使用原始分離水槽分離後所收集之試樣組成 53
Table 5- 6氧化鋁與碳化矽的性質比較 53
Table 5- 7使用B分離槽在pH7、16.7V/m進行24hr分離後,於不同編號收集孔所收集之試樣組成 54


圖目錄
Fig. 1- 1 1993年後的太陽能電池產能 8
Fig. 1- 2每公分矽晶磚切割成晶圓時,晶圓厚度與損失的關係圖 9
Fig. 1- 3製造矽晶太陽能電池時,於不同步驟中矽原料之損失情形 9
Fig. 1- 4本研究所使用之工廠矽泥的成份比例圖 10
Fig. 1- 5本研究所使用之工廠矽泥未經前處理的圖片 10
Fig. 1- 6本研究所使用之工廠矽泥乾燥後的粉體圖片 11
Fig. 1- 7矽泥乾燥粉體之SEM圖 11
Fig. 1- 8研究所使用之工廠矽泥的粒徑分佈圖 12

Fig. 2- 1高溫固化之程序 18
Fig. 2- 2在環形電場中粒子運動之作用力示意圖 18
Fig. 2- 3 Eletrocorundum sizing 實驗之裝置簡圖 19
Fig. 2- 4 Carborondum sizing實驗之裝置簡圖 19
Fig. 2- 5矽泥中以電粒移除鐵之實驗裝置簡圖 20

Fig. 3- 1球形微粒拖曳係數與雷諾數關係圖 28
Fig. 3- 2帶電粒子在電場中泳動示意圖 28
Fig. 3- 3 Stern model的電雙層示意圖 29

Fig. 4- 1矽泥經前處理乾燥後的粉體進行TGA分析的熱重曲線 36
Fig. 4- 2原始分離槽的結構 36
Fig. 4- 3 A分離槽結構 37
Fig. 4- 4 B分離槽結構 37

Fig. 5- 1矽和碳化矽在不同終端速度下對粒徑作圖 55
Fig. 5- 2單一粒子沉降時所受到的力之示意圖 55
Fig. 5- 3不同粒徑的矽在16.7V/m電場以及pH7下所計算出下所計算出的橫向位移及沉降角度範圍示意圖 56
Fig. 5- 4矽與碳化矽在不同pH值下的表面電位圖 56
Fig. 5- 5樣品在pH2的緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線圖(#0為分離前的對照組) 57
Fig. 5- 6樣品在pH7的緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線圖(#0為分離前的對照組) 57
Fig. 5- 7樣品在pH11的緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線圖(#0為分離前的對照組) 58
Fig. 5- 8在pH2、pH7以及pH11的緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後,於收集孔#8之樣品粒徑分佈曲線圖 (#0為分離前的對照組) 58
Fig. 5- 9不同表面電位與粒子懸浮穩定度的關係圖 59
Fig. 5- 10樣品在pH2、pH7以及pH11的緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後,於收集孔#2之樣品粒徑分佈曲線圖 (#0為分離前的對照組) 60
Fig. 5- 11分離槽中加入擋板之示意圖 60
Fig. 5- 12分離槽加入擋板系統下,樣品在pH2的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線 (#0為分離前的對照組) 61
Fig. 5- 13分離槽加入擋板系統下,樣品在pH7的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線 (#0為分離前的對照組) 61
Fig. 5- 14分離槽加入擋板系統下,在pH7的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後,溢流孔中樣品的粒徑分佈曲線 62
Fig. 5- 15在pH7緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後,樣品的粒徑分佈曲線: (a)收集孔 #2;(b) 收集孔#5;(c) 收集孔#8 63
Fig. 5- 16樣品在pH2的緩衝溶液中,並施加33.3 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線(#0為分離前的對照組) 64
Fig. 5- 17矽與氧化鋁在不同pH值下的表面電位圖 64
Fig. 5- 18樣品在pH2的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線(#0為分離前的對照組) 65
Fig. 5- 19樣品在pH7的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線(#0為分離前的對照組) 65
Fig. 5- 20樣品在pH11的緩衝溶液中, 樣品在pH11的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離後的粒徑分佈曲線(#0為分離前的對照組) 66
Fig. 5- 21在pH7的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離乾燥後,於收集孔#1位置之樣品的SEM與EDAX圖 67
Fig. 5- 22在pH7的緩衝溶液中,並施加16.7 V/m經過24hr沈降分離乾燥後,於收集孔#9位置之樣品的SEM與EDAX圖 68
Fig. 5- 23在pH2、pH7以及pH11的緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後,於收集孔#2之樣品粒徑分佈曲線圖 (#0為分離前的對照組) 69
Fig. 5- 24使用B分離槽系統,在 pH7緩衝溶液中,施加電場16.7 V/m經過24hr沈降分離後,於收集孔#1~#9之樣品粒徑分佈曲線圖 (#0為分離前的對照組) 70
Fig. 5- 25使用原始分離槽系統分離後,各收集孔之鐵含量圖 71
Fig. 5- 26文獻中工廠矽泥之SEM圖(a)矽與碳化矽之SEM圖 (b)分別為矽(A)和碳化矽(B)之EDAX圖 71
Fig. 5- 27使用原始分離槽系統分離後,不同酸鹼值下鐵在各收集孔鐵殘餘量圖 72
Fig. 5- 28 pH11、pH7時矽泥中之鐵吸附於上之情形 72
Fig. 5- 29未加入輔助力系統之鐵含量圖 73



參考文獻 1. 經濟部能源局, 2007年能源科技研究發展白皮書 2007: 經濟部能源局
2. Green, M.A., et al., Solar cell efficiency tables (Version 33). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2009. 17(1): p. 85-94.
3. 蔡松雨,太陽能電池:從矽晶、薄膜到新材料.。工業材料雜誌, 2008. 255: p. 92-100.
4. Bagnall, D.M. and M. Boreland, Photovoltaic technologies. Energy Policy, 2008. 36(12): p. 4390-4396.
5. Sarti, D. and R. Einhaus, Silicon feedstock for the multi-crystalline photovoltaic industry. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2002. 72(1-4): p. 27-40.
6. Khattak, C.P., D.B. Joyce, and F. Schmid, A simple process to remove boron from metallurgical grade silicon. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2002. 74(1-4): p. 77-89.
7. Goetzberger, A. and C. Hebling, Photovoltaic materials, past, present, future. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2000. 62(1): p. 1-19.
8. Peng, W.Y. and Y.S. Liao, Study of electrical discharge machining technology for slicing silicon ingots. Journal of Materials Processing Technology, 2003. 140(1-3 SPEC.): p. 274-279.
9. Wang, T.Y., et al., A novel approach for recycling of kerf loss silicon from cutting slurry waste for solar cell applications. Journal of Crystal Growth, 2008.
10. Peng, W.Y. and Y.S. Liao, Study of electrochemical discharge machining technology for slicing non-conductive brittle materials. Journal of Materials Processing Technology, 2004. 149(1-3): p. 363-369.
11. Nishijima, S., et al., Recycling of abrasives from wasted slurry by superconducting magnetic separation. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003. 13(2 II): p. 1596-1599.
12. Shibata, J., N. Murayama, and K. Nagae, Flotation separation of SiC from wastes in the silicon wafer slicing process. Kagaku Kogaku Ronbunshu, 2006. 32(1): p. 93-98.
13. Mühlbauer, A., et al., Removal of C/SiC from liquid silicon by directional solidification. Journal of Crystal Growth, 1991. 108(1-2): p. 41-52.
14. Urs, A., et al., Electrostatic Sizing of Abrasive Particles Using a Free-Fall Corona Separator. Particulate Science and Technology, 2004. 22(1): p. 85-92.
15. Tsai, T.H. and J.H. Huang, Metal removal from silicon sawing waste using the electrokinetic method. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2009. 40(1): p. 1-5.
16. 呂維明 和 戴怡德, 粉粒體粒徑測量技術。1998.
17. 李建武,生物化學實驗原理和方法。1999: p. 114~146
18. Geankoplis, C.J., Transport Processes Unit Operations, Geankoplis, Editor. 1993.
19. What is Zeta potential? Chemist, 2001. 10.
20. 黃柏涵,電泳法及重力法進行矽及碳化矽分離之研究。 2007: p. 21~29.
21. Vallar, S., et al., Oxide slurries stability and powders dispersion: Optimization with zeta potential and rheological measurements. Journal of the European Ceramic Society, 1999. 19(6-7): p. 1017-1021.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2014-07-30公開。
  • 不同意授權瀏覽/列印電子全文服務。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信