TWI461359B - Low energy consumption and high efficiency metal silicon purification device - Google Patents

Description

低耗能高效率金屬矽純化裝置

本發明係有關一種低耗能高效率金屬矽純化裝置，特別指一種生產太陽能電池所需高純度金屬矽所應用的純化裝置。

為獲得生產太陽能電池所需的高純度金屬矽，一般傳統的純化方法是採用製鉄純化所用99%左右的矽原料，即所謂2N左右的金屬矽作為起始原料，利用化學、金屬、物理等方法，將此起始原料自2N純化至11N左右。通常針對5N-6N金屬矽之純化精製方法係採用所謂的冶金製法(UMG)，至於超過其以上至11N左右的金屬矽則係利用所謂的西門子製法(Siemens method)來進行純化。然而，不論是冶金製法(UMG)還是西門子製法，兩者在生產過程中均需要耗費大量的電力(UMG=30～70KWhr/kg；西門子法=200~300KWhr/kg)及大量的冷卻水來進行生產作業。其中，西門子製法由於是在大規模的化學工場進行，所耗費的能源及電力相對地亦極為龐大，因此在所謂的節省能源的議題上，理論上是難以辦到的。至於冶金製法(UMG)，由於是冶金的純化製法，因而為了多階段反覆的純化精製，其不僅需求極大的電力、冷卻水及惰性氣體的消耗，而且材料的損失亦多，且因純化矽的數量龐大，相對地熱容量亦大，以致造成所謂處理週期較長的缺點，亦即造成生產性不佳、生產效率降低、生產成本增加等缺點。上述兩種生產方法，無論任一方法均為原理、本質上的問題，所存在的缺點幾乎沒有改善的空間。

綜上所述，習知的純化技術所生產太陽能電池所需的金屬矽，在太陽能電池發揮其節能效益之前即已消耗了大量的電力與能源，此與太陽能所提供節能與替代性能源的終旨，事實上，從其原料製程開始就始終存在著與其節能終旨相違背的矛盾之處。

本發明有鑑於前所述無論是西門子製法(Siemens method)或者是冶金製法(UMG)所存在耗能及低生產效率等問題，透過將以往所使用生產純化矽的設備加以改造，使在生產太陽能電池所需高純度矽的製程中，能有效降低能源的消耗，特別是生產過程中所需要的冷卻水的消耗量降為零；此外，透過變更純化過程中矽熔融的電力管理(Power Management)方式，以使其所需要電力與綜合耗能降至最低，同時透過縮短生產週期方式來有效提高生產效率。透過以上針對以往設備的改造，來達到減低電力及各種能源的消耗量，提高生產效率，進而達到降低生產成本的目的。此外，更透過本發明高溫自動化作業方式的採用，除使產品生產週期得以縮短、生產效率更為提昇，同時附帶使工作者的作業環境品質亦獲得提昇。

本發明為了解決傳統金屬矽純化製法及設備所既存的問題，其具體的技術在於透過不同斷熱材的組合應用，使裝置的腔室表面溫度因此獲得顯著的降低，使供應於腔室設備用以降溫冷卻的冷卻水用量降為零；其次，則透過變更溫度控制方式以大幅減少設備的電力消耗；再則，從設備裝置下方進行材料的供給、移出作業，從而完全改造以往純化裝置的作業模式與構造，顯著地達成因加工時間的減少所提升的生產效率，同時利用此高溫作業自動化的作業模式，可有效提升作業者之作業環境。

再者，此處所載有關本發明所改造的結構裝置，由於亦能適用於以往的鑄造用爐，故對該業界而言，對於適合市場所要求之單晶製造裝置轉換成多結晶製造裝置，及以往的鑄造用爐，均可獲得品質、良率提升以及成本降低的功效。

以下，茲依據具體實施例來說明本發明之實施形態。

本發明所提供一種低耗能高效率金屬矽純化裝置，主要鑑於以往不論是冶金製法(UMG)還是西門子製法，兩者在生產過程中均需耗費大量的電力及冷卻水來進行生產作業，致使生產成本高昂，且與其所生產的矽產品主要提供做為太陽能電池使用，而太陽能電池的設計初衷則為節能、經濟為目的，因此兩者始終存在著矛盾。此外，以冶金製法(UMG)而論，其除了需耗費大量的電力、冷卻水及惰性氣體外，且因其生產工程週期過長，因此生產效率低、產品良率亦不佳。針對上述缺失，本發明利用不同的斷熱材的組合應用，以降低裝置的表面溫度，因而達成將提供裝置使用之冷卻水使用量降為零，同時透過變更溫度控制方式，以大幅減少裝置電力的消耗，此外則透過在裝置下方進行材料的供給、移出作業，完全改變了以往的構造與作業模式為主要的技術特徵者。

如第一a圖及第一b圖所示為習知使用的單晶純化製造裝置，其中第一a圖顯示已省略了裝置上方的部份結構，而第一b圖則顯示為鑄造用爐的斷面圖。圖式中參考符號1為加熱體、2為斷熱材、3為坩鍋、4為矽、5為昇降機、6為腔室(晶爐)，上述習知純化裝置主要係利用水冷方式進行對腔室6內部的冷卻降溫。

以下為有關習知純化裝置在使用傳統斷熱材2以及冷卻水在實際的試驗中，有關腔室6內部升降溫的情況，同時亦包括停止冷卻水的供應所造成腔室6升降溫的情況；再者，另附圖說明本發明在原純化裝置中變更不同斷熱材2的組合應用所具備對腔室6內部控溫的情況。

如第一a圖及第一b圖所示的習知純化裝置，在直徑22英吋的坩鍋3內，投入約120kg的具有2N純度之金屬矽4，並朝加熱體1供給電力，將金屬矽4加熱至攝氏1550度並使之熔融。此時，熔融金屬矽4所需之電力為165KVA。

在上述習知的純化裝置中，一般所使用的斷熱材2係厚度為10mm的碳氈為原料，其係沿著加熱體1的直徑而捲成11層且厚度達110mm的筒狀物。

另外，注入腔室6的冷卻水水溫係攝氏20度，流量則為3立方公尺，且腔室6的表面溫度係和冷卻水的溫度大致相同。

使用和上述相同設備且停止供給冷卻水而慢慢地升溫，此時在內部溫度管理顯示為攝氏500度時，則腔室6表面溫度則發生部分變化，並升溫至大約攝氏40度左右。

接著使之繼續升溫，在攝氏800度時，腔室6的表面溫度則升溫至攝氏60度以上，且溫度上升到無法以手觸摸的溫度。

因此，由上述試驗可知，當習知純化裝置在設置一般的斷熱材2時，並注入適當容量與流量的冷卻水，始而能維持腔室6的溫度與冷卻水相當，惟當停止供應冷卻水時，則隨著金屬矽4加熱溫度的上升，則腔室6的表面溫度將達到難以觸摸的程度。

其次，則將斷熱材2依據本發明而作以下的變更，並依據前述相同的條件下進行實驗。請參看第二a圖所示。

斷熱材2材料，自加熱體1至腔室6的疊層順序依序為：

1：與以往相同的一般斷熱材21(碳氈)：2層(厚度2cm)

2：陶瓷棉(Ceramic Wool)22：2層(厚度3cm)

3：岩棉(Rock Wool)23：2層(厚度3cm)

4：玻璃棉(Glass Wool)24: 1層(厚度5cm)

按此狀態使溫度慢慢地上升。

當加熱至攝氏800度時，腔室6表面溫度幾乎不上升。

在加熱至攝氏1200度，腔室6表面溫度為攝氏25度左右。

在加熱至攝氏1550度，腔室6表面溫度為攝氏40度左右，以手觸摸時會感覺熱的程度。

在以上的實驗中，本發明所應用的不同斷熱材2材料組合，其作用及施作溫度域分別為：一般斷熱材(碳氈)主要作為隔熱作用(攝氏1000度-攝氏1700度)、陶瓷棉(Ceramic Wool)主要作為隔熱作用(攝氏200度-攝氏1200度)、岩棉(Rock Wool)主要作為隔熱作用(攝氏200度-攝氏1200度)、玻璃棉(Glass Wool)主要作為低溫隔熱作用(室溫)。

其次，再將本發明斷熱材2作以下的變更，並依據前述相同的條件下進行實驗。請參看第二b圖所示。

斷熱材2材料，自加熱體1至腔室6的疊層順序依序為：

1：與以往相同的一般斷熱材25(碳氈)：2層(厚度2cm)

2：陶瓷棉(Ceramic Wool)26：3層(厚度4.5cm)

3：依索萊特(ISOLITE)斷熱磚27：5cm

按此狀態使溫度慢慢地上昇至攝氏1550度時，腔室6的表面溫度約為攝氏30度左右。

另外，再將本發明斷熱材2作以下的變更，並依據前述相同的條件下進行實驗。請參看第二c圖所示。

斷熱材2材料，自加熱體1至腔室6的疊層順序依序為：

1：與以往相同的斷熱材(碳氈)28：2層(厚度2cm)

2：陶瓷棉(Ceramic Wool)29：2層(厚度3cm)

3：裝入有破碎的依索萊特(ISOLITE)斷熱磚和破碎的浮石之陶瓷棉袋20：5cm

按此狀態使溫度慢慢地上升至攝氏1550度時，腔室6的表面溫度攝氏30度左右。

而由以上本發明在組合不同斷熱材2的實驗結果得知，本發明透過組合斷熱材2即可達到隔熱冷卻的目的，而不需要再對腔室6供給冷卻水進行冷卻。

而在上述本發明所提供的不同斷熱材2的組合，其中亦可在不同的疊層組合裡增加一聚醯亞胺(Polyimide)層的疊層，包覆於上述組合的外圍層，其作用主要作為綑縳該隔熱組合層使其體積得以縮減。

另外，在上述本發明所提供的不同斷熱材2的組合，其中裝入有破碎的依索萊特(ISOLITE)斷熱磚和破碎的浮石等粉末狀斷熱材之陶瓷棉袋20，由於所裝入的不同尺寸依索萊特(ISOLITE)斷熱磚和浮石形成粉末狀的斷熱材，因而可在其間形成空氣間隙，利用該由破碎的依索萊特(ISOLITE)斷熱磚和浮石等所構成的粉末狀斷熱材，配合其間空氣間隙所形成的空氣層亦具有隔熱、阻熱的功能，因而使其斷熱能力從而有效提昇。至於有關該陶瓷棉袋20層，其立體結構請參看第二d圖所示，其主要係由玻璃陶瓷纖維編織而形成具有微細網孔的袋體，並於其內裝入破碎的依索萊特(ISOLITE)斷熱磚和破碎的浮石所構成，除了在破碎的依索萊特(ISOLITE)斷熱磚和浮石間形成有空氣間隙外，依索萊特(ISOLITE)斷熱磚本身內部亦包括有如海棉狀的氣孔組成，因此使本發明所述組合斷熱材2同時提供了包括空氣層與氣孔之空氣隔熱效果，而提供更為有效的斷熱功能。

另如第三圖則顯示本發明坩鍋昇降的示意圖，圖式中參考符號3為坩鍋、6為腔室、5為昇降機構，可自腔室內昇降移入及移出坩堝3進行純化作業、51為伸縮蛇管套置於前述昇降機構5、52為支持坩鍋3及昇降機構5的支柱、53為驅動軸可帶動昇降機構5的升降、54為馬達和旋轉控制機構以提供昇降機構5動力，另外55為基座。

為了使原料矽熔融，必需使加熱體1溫度上昇。在本實驗的情況下，係朝向加熱體1供給電力為直流55V、電流3000A，亦即以165KVA來執行。

欲上升至期望溫度或指定溫度時，因考慮到安全性並未立即賦與加熱體1最大電力，而是進行具有預定的溫度上昇率之程式控制，例如以攝氏15度/分鐘來執行。

在此情況下，實際的溫度上升係如第四圖所示，第四圖顯示控制溫度狀況的座標圖，其中橫軸T代表時間、縱軸t代表溫度、參考符號A為實際的溫度變化、參考符號D則為目標方向。圖式中A對指定的D呈階段性上昇狀態，亦即反複地進行供給過大電力並在溫度過熱後，降低電力供給。此乃利用當熔融矽重量之熱容量大小及有關電力供給發生時間延遲時，依據PID來進行溫度的控制。

如此，當熔融矽溫度上下起伏時，會因應此階段性溫度狀態而產生波紋，而此恰好和第三圖所示機構在昇降作動時所賦與裝置的機械振動現象相同。

經由此電氣作用所引起熔融矽的溫度波紋，恰巧與由機械所產生的振動形成等價關係，當具有溫度梯度的熔融矽在坩鍋3內傳播時，則根據固/液界面的純化原理，亦即在單向冷卻時的界面振動結果，因偏析現象導致其純化會因應其振動而產生局部較大的變動。

至於有關如第三圖所示所產生的機械振動問題，係起因於機械的昇降機構5等移動性機構及接觸性機構各自個別發生的機械振動而產生，由於此振動係起因於很多要素而個別、獨立地發生，故並不會有重覆發生現象，因此使機械在不穩定振動的情況下，會引起溫度的下降，而在此情況下進行純化(單向冷卻純化)，將造成矽純化的良率降低。

其具體情形則如第五a圖至第五c圖所示，為有關在標準製程中所鑄造完成的矽4產品外觀圖。經比較此三個圖式所顯示矽4產品的外觀可以暸解到：經比較參考符號41、42、43產品可以理解其中不純物濃縮的黑色沈積層411、421、431在深度上有所差異，其中矽43的黑色沈積層431最薄、矽42的黑色沈積層421形成複雜地變化、而矽41的黑色沈積層411則為最厚。

此外，如第五b圖所示，由於不純物濃縮的黑色沈積層421分布不均，因而需要將此黑色沈積層421(不純物濃縮部分)切削除去時，同時必需以圖式中黑色沈積層421下垂的最底線部份為基準來進行削除，其結果為，連原本不需削除的都必需要削除，亦即造成純化製品的重量損失過多，使產品的良品率不佳，進而造成製造成本提高，使產品利益降低。

另外，如第六圖所示，係有關矽冷卻時之溫度的經時變化的座標圖，亦代表典型的矽純化工程中單向冷卻的溫度變化曲線。其中參考符號T及t係與第四圖相同。其中粗線代表目標的溫度變化，細線代表實際的溫度變化。圖中t1、t2、t3、t4、t5、t6係分別代表會改變溫度變化程度的時間點，從t1迄至t6的時間點，係分別與均一熔融、結晶核的形成、結晶形狀的控制、結晶的成長方向性之控制、結晶的成長、及在固/液界面的偏析係數下的純化等相對應。

如圖式中粗線所顯示，將溫度之降低預先予以程式化，且與朝向加熱體1供給電力的供給量，相應地對溫度感測器的信號進行增減。

然而，如第六圖所示係基於單向冷卻的矽純化之最大的工程，且均一的混合溫度域、核形成溫度域、結晶成長溫度域、結晶成長方向溫度域及固/液界面移動溫度域，係分別適合於各目標之溫度域，且安排最佳的溫度變化。

在這樣的微妙溫度域中進行電力增減的溫度調整，會發生先前所述造成產品良率降低的問題，亦即會產生如第五a圖至第五c圖所述黑色沈積層411、421、431的情形發生，且其變化隨著溫度梯度變化而產生極大的影響，亦即，造成良率降低(必需削除廢棄的部分增加)、變換效率降低(結晶的成長方向)、變換效率之經時變化(結晶的大小)等情況發生。

有鑑於此，本發明的主要技術特徵為，不透過溫度感測器作溫度的控制，以避免如前所述所造成階段性溫度起伏狀況。

本發明主要係先將原料矽完全地溶解、混合，首先在攝氏1550度下保持2小時，此時，為維持攝氏1550度的溫度，係慢慢地降低加熱電力，溫度對時間之變化經過10分鐘以後，確認會成為零的電力供給量，此乃作為設備之熱平衡時間，亦即時間常數。

本實施例中，起初所供給的電力供給量為165KVA，但是會成為零的電力量則為110KVA。

在此實施例中，為避免起因於供給電力所產生之溫度波紋，亦即避免與機械振動相同所產生的電氣振動，有關供給電力量之減少分別為：在t2~t3是1%/分鐘、t4~t5是0.1%/分鐘、以及t5~t6是0.01%/分鐘時，溫度係以2度/分鐘、0.4度/分鐘、以及0.03度/分鐘的速度下降。

另在本實施例中，第五a圖至第五c圖所示的黑色沈積層411、421、431的厚度成為5mm左右，與採用以往的方法之情況相較下，厚度減少成1/3左右。亦即要削除高濃度不純物域的廢棄量減少了約70%。

又，依據本實施例之電力消耗量，在冷卻期間域中係減少約20%。

此結果將依矽之填充量而有所差異，同時在本實施例中發明人亦觀察到，在與以往的方式相組合時，作業週期會變的更短。

除了基於上述加熱體1冷卻純化過程以外，本發明另就與電弧加熱器(電漿)合併使用進行實際的實驗。

至於利用電弧加熱器和碳加熱體1之合併使用以進行矽的純化時，為了不讓電弧加熱器的熱對熔融矽4整體的溫度造成影響，則有必要限制其照射面積。

在相關的實驗中，為了達此合併使用的目的，有必要藉由坩鍋3上下移動所形成溫度差，以使熔融矽容易產生循環移動。

為將本要求予以具體化，係實施如下的步驟。亦即，使用坩鍋3昇降機構5讓坩堝3位置在下方一邊移動至加熱體1下方底緣，同時一邊在電力的供應量上依據前述時間差遞減，亦即在t2~t3是1%/分鐘、t4~t5是0.1%/分鐘、以及t5~t6是0.01%/分鐘時，溫度係以2度/分鐘、0.4度/分鐘、以及0.03度/分鐘的速度下降。在此情況，雖會發生機械振動而降低效果，但與以往的方法相較，卻具有較佳的功效增進。

其次，在實施了純化所需的工程後，將坩鍋3朝下方移動40cm後停止，使溫度形成攝氏30度左右的差異，在此狀態下，再繼續執行前述時間及溫度的冷卻純化控制；此情況下，純化矽的坩鍋3內之不純物分布，最大為+-10%以內，這表示冷卻之循環過程被有效率地執行。

此外，使坩鍋朝下方移動，係為控制固/液界面從坩鍋3下方朝上方移動的速度，利用前述時間及溫度的冷卻純化控制而與來自上方的電弧加熱器之照射的組合，經證實亦具有相當的效果。至於，固/液界面從坩堝3下方朝上方移動的速度，在本實驗中，平均為300um/min。

如本實施例那樣，當所加熱的熔融矽4的重量很大時，必需經長時間冷卻，但耗費長時間進行冷卻會使生產性降低，同時生產效率亦降低，最終使製造成本變高。

在等待溫度降低之情況下執行作業時，會出現以下的問題，包括在高溫作業之環境中安全性降低，及設置於腔室6內部的碳零件，例如加熱體1、斷熱材2等與空氣中的氧結合而損耗，亦即使零件壽命變短

為解決這樣的問題，本發明者執行如下的實施例且確認了有實際的效果。請參看第七圖所示，為本發明有關將原料矽及純化矽由腔室內移出、移入的機構圖。

圖式中參考符號1為加熱體、3為坩鍋、3’是坩鍋移至下方的狀態、3”是坩鍋移至更下方的狀態。5為昇降機構設於坩鍋3下方，10為支撐加熱體1、腔室6內部機構的基座，設於腔室6內兩側、11為閘閥位於基座10的下方、12為閘閥支持機構、13為惰性氣體噴出機構位於閘閥12兩側，亦即在坩鍋3升降通道之兩側，用以在閘閥11開放時防止腔室6內部的碳零件氧化損耗，12’為腔室支持機構。

當坩鍋位置在3’的狀態下，開放閘閥11的同時，惰性氣體噴出機構13即供給如氮等惰性氣體，以形成惰性氣體的簾幕，本簾幕係為防止空氣在腔室6內擴散，且防止腔室6內的碳零件與氧結合所導致之損耗，亦即可延長碳零件的壽命，結果係減少損耗零件的損失，縮短作業周期，具有綜合性降低成本的效果。

在以往的實施例中，加熱體1的壽命在未實施純化處理的情況下約200個循環，實施純化處理的情況約100個循環，在未採用本發明機構的情況且在高溫開放之情況約70個循環，而在採用本發明機構的情況則約130個循環。此所謂循環係指在矽純化加熱冷卻的過程中，矽原料從室溫加熱至熔融狀態，再冷卻至室溫狀態稱為1個循環。

又，根據以上的實驗可知，本發明不僅可使碳零件的壽命增長，同時由於是在未等待溫度降低之情況下執行純化作業，故純化工程時間被縮短，生產效率因而提升，亦即迄至作業完成為止的冷卻時間，與以往待機至攝氏約100度相形之下，由於本實施例中是在攝氏550度下就完成作業，故在待機時間上比習知者縮短10小時以上。這在生產效率上則約提升了20%。亦即具有和生產量增加20%等價的效果。

本設備由於被使用在金屬矽之純化，所以適用純化工程中所使用之各種氣體被供給至腔室6內，而各種氣體係依腔室6內的壓力、溫度急劇地膨脹，由熔融矽4吸收不純物、蒸發，然後形成氣體並朝外部排出。

在本實施例中，在添加了水溶液體的情況，相對於1L的液體，其氣體體積約為1.2立方公尺；又，當腔室6直徑設為1公尺，當上述1.2立方公尺的氣體產生1kg/cm的壓力時，本實施例腔室6的內部壓力成為約7.5 torr。因此在具有這樣的純化工程之本發明設備中，有必要儘可能地將所產生的壓力快速減壓並予排放。

如第八圖所示，為習知純化裝置排放氣體的流通路徑圖。其中參考符號7為從裝置排放氣體的排出口，位於裝置的下方兩側、8為氣體的供給口，位於裝置上方、9為裝置內的排放氣體之流通路徑，位於裝置兩側腔室6與斷熱材2間的間隔空間。

排放的氣體係沿著腔室6內壁而向下方流動，經由排出口7而被排放至裝置外。

此間隙通常約為50mm左右，由於排放氣體通過的阻力大，所以在壓力產生時刻即被排氣，迄至壓力降低為止的時間差較大，因而有爆炸的危險。此時間差雖亦依存於排氣泵的性能，但大致為2～3秒左右。

本實施例為改善此時間延遲以提高安全性，如第九圖所示，為本發明所提供的排氣通道設計，其中，參考符號14即為有關本發明氣體排放的流通路徑，其位於裝置上方，大致水平，且朝稍上方排氣的設計，同時相較於習知技術其亦縮短了排放路徑，如此使腔室6內部氣壓變動之反應時間變的非常短，因此純化工程中的安全性受到保證。又，透過採用本機構的設計，腔室6的直徑亦得以變小，有助於設備的成本降低。而透過此設計獲得的結果為，在使用相同排氣泵的情況，本發明與習知技術的時間差在1秒以下，可獲得更高的安全性。

再者，請同時參看第七圖及第十圖所示，為有關本發明，原料矽及純化矽由腔室內移出、移入的系統機構圖，同時顯示將原料矽及純化矽從純化裝置的指定位置朝他方移動的機構圖，而使本發明在原料矽熱處理的高溫作業環境中，完全藉由自動化作業來完成其操作。其中第十圖中，參考符號3為坩鍋，56、57、58表示承載坩鍋3使其可移動的伸縮設置台、59是具有上下昇降功能的支柱，設於設置台56、57、58的下方、591為設於支柱59兩側的補強桿、592為設於支柱59下方的基座、593為設於基座592底部可供機構移動的複數個移動輪。

在上述的移出、移入系統中，其操作程序如下：

1、閘閥12開啟；

2、利用第七圖所示昇降機構5將坩堝3送入腔室6；

3、坩堝3留置腔室6並加熱，同時昇降機構5下降且關閉閘閥12；

4、利用第二組昇降機構5進入腔室6內，以移出已完成熱處理的坩堝3，此時第一組昇降機構5則旋轉90度以將坩堝3移置於一坩堝設置台，以備第二組昇降機構5接續操作，同時完成移置的第一組昇降機構5則再以旋轉90度回復至原位；

5、完成加熱處理的坩堝3再經由第十圖所示自動化移動機構輸送至定位進行冷卻處理。

藉由上述自動化的作業系統，操作人員無需在高溫作業環境下進行操作，因而可提供一個較為優質的作業環境，提昇工作品質。

另外，為了避免原料矽在加熱的過程中，由於坩堝3的振動造成熔融矽4與坩堝3的界面因擴散效應而使氧成份自坩堝3溶入熔融矽4，造成熔融矽4內部雜質(不純物質)的增加，因此必需使原料矽4在減壓下及惰性氣體環境下進行熔融作業時，將一種用以減輕振動傳達的裝置連接在和腔室6連接的配管、配線上。請參看第十一a圖及第十一b圖所示，圖式中顯示在本發明在不同位置所設置的振動吸收器30，用以降低坩堝3在加熱過程中所產的機械振動，並防止氧等雜質溶入熔融矽4中。其中第十一a圖所示為將振動吸收器30設於機體301下方，而用以吸收機體振動，而第十一b圖則顯示將振動吸收器30與配管302連接以吸收機械振動者。

1．．．加熱體

2．．．斷熱材

21．．．一般斷熱材

22．．．陶瓷棉

23．．．岩棉

24．．．玻璃棉

25．．．一般斷熱材

26．．．陶瓷棉

27．．．依索萊特斷熱磚

28．．．一般斷熱材

29．．．陶瓷棉

20．．．陶瓷棉袋

3．．．坩鍋

3’．．．坩鍋

3”．．．坩鍋

30．．．振動吸收器

301．．．機體

302．．．配管

4．．．矽

41．．．矽

411．．．黑色沈積層

42．．．矽

421．．．黑色沈積層

43．．．矽

431．．．黑色沈積層

5．．．昇降機

51．．．蛇管

52．．．支柱

53．．．驅動軸

54．．．馬達和旋轉控制機構

55．．．基座

56．．．設置台

57．．．設置台

58．．．設置台

59．．．支柱

591．．．補強桿

592．．．基座

593．．．移動輪

6．．．腔室

7．．．排出口

8．．．供給口

9．．．流通路徑

10．．．基座

11．．．閘閥

12．．．閘閥支持機構

12’．．．腔室支持機構

13．．．惰性氣體噴出機構

14．．．流通路徑

T．．．時間

t．．．溫度

A．．．實際溫度變化

D．．．目標方向

t1、t2、t3、t4、t5、t6．．．改變溫度變化程度的時間點

第一a圖：係簡化以往生產單晶矽用的設備剖面圖。

第一b圖：係簡化以往鑄造用爐的設備剖面圖。

第二a圖：係本發明斷熱材結構之第一實施例剖面圖。

第二b圖：係本發明斷熱材結構之第二實施例剖面圖。

第二c圖：係本發明斷熱材結構之第三實施例剖面圖。

第二d圖：係本發明斷熱材陶瓷棉袋立體結構圖。

第三圖：係本發明坩鍋昇降的示意圖。

第四圖：係顯示原料矽加熱純化溫度控制狀況座標圖。

第五a圖：係在標準製程中所鑄造完成的矽產品實例一外觀圖。

第五b圖：係在標準製程中所鑄造完成的矽產品實例二外觀圖。

第五c圖：係在標準製程中所鑄造完成的矽產品實例三外觀圖。

第六圖：係有關矽冷卻時之溫度的經時變化座標圖。

第七圖：係本發明有關將原料矽及純化矽由腔室內移出、移入的機構圖。

第八圖：係習知純化裝置排放氣體的流通路徑圖。

第九圖：係本發明純化裝置排放氣體的流通路徑圖。

第十圖：係本發明將原料矽及純化矽從純化裝置的指定位置朝他方移動的機構圖。

第十一a圖：係本發明將振動吸收器設於機體下方的實施例圖。

第十一b圖：係本發明將振動吸收器與配管連接的實施例圖。

3．．．坩鍋

5．．．昇降機

51．．．蛇管

52．．．支柱

53．．．驅動軸

54．．．馬達和旋轉控制機構

55．．．基座

6．．．腔室

Claims (21)

1. 一種低耗能高效率金屬矽純化裝置，針對現有的矽純化裝置結構加以改造，設置包括：一組合式斷熱材：設於純化裝置內加熱體與腔室之間，利用不同組成的斷熱材作複數層組合，以適用於高溫度域至低溫度域的作業，其中，該複數層斷熱材至少包括，自加熱體至腔室的疊層順序依序為一般斷熱材、陶瓷棉；多組昇降機構：設於純化裝置的下方，以進行矽原料的供給、移出作業，同時配合其供給、移出作業而於裝置下方設有一防止空氣中氧侵入腔室內造成碳零件氧化損耗的噴出機構及啟閉閘閥裝置；多組排氣通道：位於裝置的上方，大致水平，且朝裝置稍上方排氣的設計；以及多組移動的機構：設於裝置的下方，利用自動化移動機構將完成加熱純化處理的坩堝移動至定位以進行冷卻處理。
2. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，該複數層斷熱材包括，自加熱體至腔室的疊層順序依序為上述一般斷熱材、上述陶瓷棉、岩棉及玻璃棉。
3. 如請求項2所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，一般斷熱材為2層(厚度2cm)、陶瓷棉為2層(厚度3cm)、岩棉為2層(厚度3cm)及玻璃棉為1層(厚度5cm)。
4. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，該複數層斷熱材包括，自加熱體至腔室的疊層順序依序為上述一般斷熱材、上述陶瓷棉及依索萊特斷熱磚。
5. 如請求項4所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，一般斷熱材為2層(厚度2cm)、陶瓷棉為3層(厚度4.5cm)及依索萊特斷熱磚厚度為5cm。
6. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，該複數層斷熱材包括，自加熱體至腔室的疊層順序依序為上述一般斷熱材、上述陶瓷棉及裝入有破碎的依索萊特斷熱磚和破碎的浮石之陶瓷棉袋。
7. 如請求項6所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，一般斷熱材為2層(厚度2cm)、陶瓷棉為2層(厚度3cm)及陶瓷棉袋厚度為5cm。
8. 如請求項6所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，裝入有破碎的依索萊特斷熱磚和破碎的浮石等粉末狀斷熱材之陶瓷棉袋，由於所裝入的不同尺寸依索萊特斷熱磚和浮石形成粉末狀的斷熱材，因而可在其間形成空氣間隙，並形成具備隔熱、阻熱功能的空氣層。
9. 如請求項6所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，該陶瓷棉袋層，主要係由玻璃陶瓷纖維編織而形成具有微細網孔的袋體，並於其內裝入破碎的依索萊特斷熱磚和破碎的浮石所構成。
10. 如請求項4或請求項6所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，在依索萊特斷熱磚本身內部包括有如海棉狀的氣孔組成。
11. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，組合的斷熱材，其中亦可利用一聚醯亞胺(Polyimide)層的疊層包覆於上述組合的外圍層。
12. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，昇降機構包括設於純化裝置下方，包括一升降調整的昇降機構，可自腔室內昇降移入及移出坩堝進行純化作業、一伸縮蛇管套置於前述昇降機構、一支持坩鍋及昇降機構的支柱、一驅動軸可帶動昇降機構的升降、一馬達和旋轉控制機構以提供昇降機構動力及旋轉及基座。
13. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，設於裝置下方的啟閉閘閥裝置包括一用以支撐加熱體、腔室內部機構的基座，設於腔室內兩側、一可啟閉的閘閥，位於基座的下方，以及一閘閥支持機構。
14. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，噴出機構係設於閘閥的兩側，亦即在坩鍋升降通道之兩側，用以在閘閥開啟時噴出惰性氣體，防止腔室內部的碳零件氧化損耗。
15. 如請求項14所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，該惰性氣體為氮。
16. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，透過該排氣通道的設計，使裝置內腔室的直徑得以變小，有助於設備的成本降低。
17. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，純化裝置的純化作業包括利用電弧加熱器(電漿)和碳加熱體合併使用進行矽的純化。
18. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，另在純化裝置的下方設置一可將原料矽及純化矽從純化裝置的指定位置朝他方的移動機構，該移動機構包括承載坩鍋使其可移動的伸縮設置台、一具有上下昇降功能的支柱，設於設置台的下方、設於支柱兩側的補強桿、一設於支柱下方的基座、以及設於基座底部可供機構移動的複數個移動輪。
19. 如請求項1所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，另在純化裝置與腔室所連接的機件上設有用以減輕振動傳達的振動吸收器。
20. 如請求項19所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中， 該振動吸收器係設於機體下方，而用以吸收機體振動。
21. 如請求項19所述低耗能高效率金屬矽純化裝置，其中，該振動吸收器係設與配管連接以吸收機械振動者。