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。

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.

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

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