TW201128001A - Metallurgical silicon purification apparatus - Google Patents

Description

201128001 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種將鐵鋼及鋁產業領域的金屬矽，以純化 成本較低的方式精製、純化成適合於生產太陽能電池之單晶及 生產多結晶鑄錢用原料所需的金屬矽純化裝置。 【先前技術】

以往生產太陽能電池所使用的矽晶幾乎是由西門子製法 (Siemens Method)所生產。 此製法能夠達到生產太陽能電池所需足夠的石夕製品品質， 歷ί較久且充㈣實際生產成果，同時生產品質上亦相 有S生產太陽能電池所需石夕產品為目的而言，該製法 然而前述西門子製法存在有所謂針對 活地因應市場要求，_製‘格法靈 h2 ；siHci3； 生物）’全部的生產原料皆為有害且具有副產物(衍 i)h\0030.20l0\02l !20l0\ECS\0l959-00002 3 201128001 上其生產成本高昂造成矽製品價格偏高的問題仍無法解決。 【發明内容】 以所提及以往的生產模式，是足以生產太陽能電池所需 矽的品質’但為遂行現代社會所要求安全且環保的生產，該習 知製法無論在製造原理上或者實際量產上均不可能 。加以習知 在製造成本及產品價格方面、生產彈性度方面，以及初期 投資方面均存在有許多有待解決的問題。 本發明係一種用以解決以往生產模式所存在問題之金屬矽 純化裝置。本發明主要利用現有的矽純化設備，亦即包含有腔 ，、坩堝、坩堝支撐體及加熱體等結構的晶爐設備加以改造， 包括透過在現有純化設備中設置以下至少一種裝置，而在同一 時間，以單-、全部錢數個裝置組合進行金屬賴純化製程： >位於坩堝上方獨立的喷射機構，以將純化所需電漿、 =體、藥品或其混合鮮物質以高速伽氣流供給至熔融石夕之 ίί;並透過其特殊設計的供給管所產生的噴射氣流，在炼融 形成水窩(Dimple)，配合_内炫融石夕内部因溫度梯度 不：^度差5佈咖，，進而形成坩堝内部的熱對 二田衣’㈣射纽得⑽長熔财在内賴賴拌純化 =’:;擴大純化用氣體、藥品等與熔融賴觸= -，位於调内熔融魏面上方，相對於_具有適 株置ί距離，舰合純絲體、藥品等供給管而設置之誘導構 溶融石夕液面，因加熱作用所引起的上昇熱2至 :體流誘導迴流至熔融矽表面，使濕潤“矽;效2 接觸，提昇純化效率；再者，為提升此一、"广夕有效地 構件端迄至熔融矽表面為止的距離、從氣體；=,導 炫融料止的距離以纖_周迄至==== nh\0030_20l〇\〇2j|2〇 i〇\ECS\01959-00002 4 f S3 201128001 的距離均至為重要；以及 一組位於腔室下方可昇降、旋轉及水平移動坩堝的操控機 透過控制及變化坩堝相對於加熱體之移動位置，而改變熔 界面而使之產生單向冷卻純化效果，無需藉由 殘存_ f濃度姆於_液態線之溫度偏析系數 Ιΐΐίΐΐ卻純化的效果。此外，透過卿操控機構相對於 ，上方誘導構件的距離調整，提供濕潤氣體有效的迴流，以 化效率’同時藉由此相對距離的控制，亦可改變 if /流直接侧於熔卿液面所產生的水寫形 純改造，本發明有效地解決了現有金屬石夕 辦加問題，包括利用既有純化設備加以改造， ϊ氣體、藥品獨立噴射機構、卿 =控機構以及乳體流誘導構件等裝置，而在小規模 巧情況下’能夠提昇石夕的精製、純於^ =整=所製綱品價“建可=:’4= j 因此可確實符合環ϋ蒦的、要戈此亦不產生毒性的副產物， 全。身才°衣兄保"蔓的要求’同時維護製造過程的工業安 【實施方式】 在圖式中，參考符號i為腔剖面圖。 控機構、4為加髓及5細^ 2卿支持體、3為_操 在習知典型的石夕單晶製造裳置中，設於晶爐腔室】内的石 nb\0030_20i0\021120IO\ECSN019S9^)〇002 201128001 英坩堝5，為了避免掛堝5在矽純化的過程 ，的破裂，因此坩堝5通常藉由一種具 心 成^啦舰2麻托，域料雜室二 之中，利用加熱體5所產生的輻射埶，使俨 I :、體5 ί收金屬原料溶融形成“，藉 熱體1§射熱，再從熔融石夕液面輻射散熱，或經由®能 -液L界面傳導至成長_的種晶棒(圖未示），再經由晶棒 ^ 象。其中，並利細操控機曰構3對=

度，同時保持矽原料在固固；體表面水位高 操控機構3遂必需不斷地隨之緩慢調昇， 過程的穩定性。 rr塔喊矽在長日日 —值得Γ提的是’由於避切金屬在高溫下氧化，因此在胳 至内通常在鈍性的氬氣⑽氣氛τ操作，其巾氬氣可 並藉由氬氣濕潤氣體與熔融矽反應而加速矽的= 圖2係為本發明改造前述習知典型金屬矽純化設備之 實施例。 * 圖式中參考符號1〇為腔室、l〇a為上部腔 Ϊ本=為加熱體' 12為減壓排氣管、15為排氣通路ίϊ 盍、20為糊、30掛塌操控機構、61為藥品、氣體供' 62為高壓氣體供給管、7〇為氣體流誘導構件以及1〇〇為° hy 〇 其中，晶爐腔室10分別由一上部腔室10a及一腔室本體i〇b 在熔液面上方位·設有由—藥品、氣體供 二& 61及一高壓氣體供給管62所組成的獨立喷射機構，利 藥品、氣體供給管61供應矽純化所需的藥品、氣體等，例如 ，，一種鈣(Ca)、矽(Si)及鎂(Mg)之水溶性化合物藥品，或者 氫氣(H2)、氧氣(〇2)等至熔融矽1〇〇的液面以進行純化；同時， ηΜ0030__20 丨 〇\〇2 丨丨 2〇 丨 〇\ECS\0 丨« 9^00002 6 [s] 201128001 巧高壓氣體—供給管62供給高壓的濕潤、混合氣體 =L(H2〇)或鼠氣(Ar)等，藉由該高壓喷射氣流供給至炫融 ® 部，而在溶融石夕表面形成水寓90⑼邮叫如 圖9所不），配合掛内炼融石夕1〇〇 P = 融石夕Η)〇内所產生不同的溫度差分佈 =流循壤’使喷射氣流得以助長熔融石夕1〇〇在卿2〇内的g 裱攪拌純化作用，同時擴大純化用氣體、藥、 的接觸面積，提昇純化效率。 ^^1〇° 位於_20内熔融石夕1〇〇的液面上方，相對 及距離，並配合純化藥品、氣體供給管。及 =壓乳體供了官62而設置有—誘導構件％，透過誘 純，氣體流供應至炫融石夕1〇〇液面，因加熱作用所引 上昇的制氣體流再料迴流至溶融矽 體雜卿100有效地接觸，提昇純化效 率’，導構件7〇的結構，以下將有進一步的探討。 傷腔室ίο内Lit金屬1高溫下氧化，並藉由改變純化設 ίί腔突彿現象’確保安全的金屬石夕純化 」 至内必而保持適當的真空’透過真空愿力爷去 絲)㈣腔室1G喊驗氣體^流量， 造成純化物質-水蒸氣等所產生壓力上昇所 ί 供栗經由減壓排氣管12抽取以調節壓 、穩定的金屬石夕純化製程環境。 之第二實施例。、本發明改造前述習知典型金屬矽純化設備 氣^式it1G為腔室、11為加熱體、12為減壓排 閘閥操作臂、15為排氣通路控制蓋、 ^為掛禍、30糊知控機構、31為掛 ^操控機構移動軸、33為掛禍操控機構電< = 送機構、41為賴輪送帶、5。為電聚Π機為純 nh\O030_20l0\02I |2〇|〇\ecs\01959-00002 7 [S] 201128001 藥品、氣體供給管、62為高壓氣體供給管、7〇為 虱體流誘導構件以及100為熔融矽。 ί00液面上方位置則設有由一藥品、氣體 供給管62所_的獨立純化物質供給 & —if品、乳體供給管61供應石夕純化所需的藥品、 =，’ -種^Ca)、石夕(si)及鎮(Mg)之水溶性化合物 紬Γ觀(H2)、氧氣(02)等至炼融石夕100的液面以進行 it 2，/=高壓氣體f給管60供給高壓的濕潤、混合 #仏至舰m(H2G)或統(A轉’藉由該高|喷射氣流 之液面中心部，而在溶融絲面形成水窩 9〇 〇^mPle)(如圖9所示）’配合坩堝20内熔融矽1〇〇内部由 32^在熔_ _内所產生不同的溫度差分佈(P禮e) 而形成内部的熱對流循環’使喷射氣流得以助長熔融石夕_在 内^盾環勝純化作用，同時擴大純化用氣體、藥品 f與熔融石夕100的接觸面積，提昇純化效率。此外，在溶融矽 置另設有—電紫搶5G，利用電裝搶50搭配前 述獨立的純化物質供給系统60❿組成一獨立的喷射機 =堝内炫融石夕100液面進行間歇局部照射，使炼融石夕1〇〇 k度形成具再現性變化的溫度梯度以及形成與坩堝20内 融石夕100不同的溫度差分佈；同時，亦可配合利用一獨言 壓氣體供給管62將氧氣(〇2)以高壓氣體朝電漿槍5 = 燒的氫氣(H抓給氧氣(〇2)氣體至·20内嫁融石夕⑽表^的、 中心部，透過燃燒氫(Bum Hydrogen)作用以產生水基 既〇)，且所產生的水蒸氣另藉由氧氣(〇2)之高壓動而深I熔 融石夕10G表面的内部，以對騎發丨⑻有效地供給水 提供對熔融矽100雜質純化作用所需的純化物質-水分、、。 此外，在該第二實施例中，另設有一組位於腔室10下方可 昇降、旋轉及水平移動的坩堝操控機構30，該坩堝操控 3〇 ^括坩堝操控機構基座3卜坩堝操控機構移動軸32 = 堝操控機構電動機33，由於本發明無需如習知技術必需透過 nh\0030_201 〇V〇2112〇 10\ECS\01959-00002 8 [s] 201128001 種晶棒拉晶絲，g]此在純化财巾，綱2G内舰融石夕刚 j液面水位高度不會產生下降的_，透過本發明之掛 機構30 ’除了可控制堆禍2〇在腔室1〇内之昇降，以取出二 j入坩堝20，以及配合坩堝輸送機構4〇及坩堝輸送帶μ 完成純化魏融们⑻卿2G輸送、搬運外，同時透過該 昇降、旋轉之掛塥操控機構3〇控制掛竭2〇相對於加埶^ 移Γί融梦廳固態-液態界面，使產生與偏析系數 ^ ^ (〇η6 directional cooling purification* Constant Theory)’而使之得以產生純化作用，因此 ‘…2藉由炫_ 1〇〇巾殘存的雜質濃度相對於固態-液 溫^偏析系數管理來達到冷卻純化的效果。此外，除了g此 =操控機構3G相對於加鍵u位置調整熔辦丨⑻固9 進行純化作用外，亦得利用該_操控機構30相^ =0上方誘導構件70的距離控制，使液面所產生的濕潤； 有效，迴流至義碎⑽以加速水份的供應提^化 ^紳⑽液騎產㈣摘9G(如圖9 ΐ 不)形態變化。此外，請同時配合圖3及圖4所示 j η外’另設有—組水平移動啟閉的閘閥13位 L —組可水平橫移之_操作臂14操控，、合ί 巧20自腔室Η)内取出或置人時以水平方向 “ ^ 13 ’ #此可減少腔室1G内部的製 100的純化反應。 ”狀綱W響炼融石夕 再者，位於坩堝内熔融矽1〇〇的液面上 有適當的位置及距離，並配合電錄5 質^ = 60而設置有-誘導構件70，透過誘導構件；^統 供應至熔融石夕100液面’因加熱作用所引起的 該上昇的濕潤氣體流再誘導迴流至熔融 …、，將 體與溶融石夕1〇〇有效地接觸，提昇純化效率。 濕湖氣 另外’為了避免石夕金屬在高溫下氧化，腔室1〇内必需保持 nh\〇030_2010\02D2010\ECS\0)959^X)002 9 201128001 化物質:水蒸氣二 所 泵經由減壓排乳管12抽取以調節壓力 ^ 定的金屬石夕純化製程環境。 敌供種女王、穩 圖5係為本發明針對前述圖2、圖3及圖4所述純化 意圖。由於為了使該純化物質供給系統60 ^ιΐΓ、、ΐ合氣體，在溶融石夕100之液面中心部形 =的 (如圖9所示)，以擴大純化物質贿融 〈100的接觸面積與接觸時間，同時助長溶融石夕1〇〇在 叶化作用，因此將該純化物質供給系統60設 於^圓錐狀治具之材料，為齡#其作為供給藥品、^ 圖/係為本發明針對前述圖2、圖3及圖4所述藥品、氣體 供給管61及高壓氣體供給管62所組成的獨立純化物質供給 統60 ’有關各糊立供給管的實施姻^圖6所示為」^ 的雙層管設計，用馳合供應不哺品、氣體或水溶性藥 純化物質’包括外周管a以及内周管b，至於參考符號奶及 b〇分別代表外周管a之出口端以及内周管b的出口端。惟上 述雙層供f管設計並_嫌制本拥的顧，舉凡三層或以 上之複層官’如由其出口端可分別組合供給不同的純化物質予 熔融矽100液面，均應屬本發明的申請專利範圍。 另圖6(A)及圖6(B)分別表示純化氣體、藥品等需要朝熔融 矽100液面供給進行純化反應的多層式供給管之剖視示意 以下兹以，說明其具體實施例’如6(A)所示，該供^ 笞為中央内層管凸出於外層管之設計，其中，在内層管的出口 端bl可供給高壓的濕潤氣體(如氬)及/或水，而在外層管的出 口k al則供給氬氣，藉由此内層管凸出於外層管的設計，可 nh\O030_20KW)2i |2〇i〇\ECS\OI959-00002 [S] 201128001 使高壓的濕潤氣體及/或水有效地通過熔融矽10()液面進入水 窩90中心(如圖9所示），以將純化所需的濕潤氣體及/或水有 效的供給至坩堝20中熔融矽1〇〇的内部。又如圖6(B)所示， 該供給管為中央内層管内縮於外層管之設計，其中，在外層管 的出口端a2可供給氫氣(H2)，以提供作為與氧(〇2)反應生成水 份所需的來源，而在内層管出口端b2則供給氧氣(〇2)，以提 供作為與燃燒氫(H2)反應生成水份所需的來源，其中，由於内 層管内縮設計，使由外層管出口端a2供給的氫氣形成擴散作 用到達熔融矽100的表面，同時因熱而使氫氣燃燒，此時如對 ，燃燒氫中心部份由内層管出口端以供給氧氣時即產生水蒸 氟二因而使所反應生成的水分(H2〇)以及部份未產生反應的自 由氧一起被有效地供給至熔融矽100表面進行純化。 再者，如圖7所示，為有關本發明所設計一種氣體流誘導 構件70，如前所述，該誘導構件7〇設於坩堝2〇熔融矽'⑻ 的液面上方適當位置及距離，並配合電漿搶5〇及純化物質供 給系統60等而組合設置，以透過誘導構件7〇將因加熱作用所 上昇熱濕潤氣流再誘導迴流至熔融矽1〇〇液面，使 炼融石夕剛有效地接觸，提昇純化效率。該誘導構件 一筒體74以及筒體74下緣向外延伸之若干緒片71、72、73。 ^己合參看圖8所顯示’為有關前述上昇熱濕濁氣體 不思圖。當電漿搶50對該坩堝20内熔融矽100進行昭射 =堝20内部、溶融石夕1〇〇因加熱升溫，並產生上昇的£、 k(如虛線所示)而向坩堝2〇熔融矽1〇〇液面上方擴散。’、、、 另如圖10所示，為有關前述上誘導構件7〇相對於 液面的設置位置、距離，以及其與上昇熱濕潤 以下有關實際的位置、距離係依據發明人f 如圖10所示，圖式中，參考符號U為加熱體、5 搶、60為純化物質供給系統、61為藥品、氣體供給管Γ6= nh\〇030_20!0\02l I2010\ECS\OI959^)〇〇〇2 11 [S] 201128001 尚壓氣體供給管、70為氣體流誘導構 20為坩堝、1〇〇為熔融矽、w為從 、2、73為緒片、 之距離、h2為使氣體流有效至熔融石夕表面 件70的縛片71、72、73迄至面所使用誘導構 «射出口之距離、sl為從電聚搶迄二^二1 =至 的噴射壓力及通過誘導構件

卜Π月^實驗結果’當供給量⑺為1〇〇〜_L/小時的 情况，距離h4為l〇cm，而此為最大值。 有關發日狀的實驗結果關瞭解，當其距離μ ΐ JTa μ果較佳。因此該尺寸範圍在1錄5G下端為基準 上方10cm及下方5cm之範圍為適當的範圍。 有關距離si ’由本發明人的實驗結果可明白，盡量予以 窄化以加速麵通過氣體的錢，以產生最大的效果^由 明人的實驗絲’在藥品、氣體供給管61及高壓氣體供 62下降至誘導構件70的位置之情況，距離s i以⑴職 60mm較佳。 距離S2係與純化物質供給系統6〇的壓力及氣體的供給量 (V)相依。亦即與通過該空間之氣體流速有關。在本發明人 之實驗結果中’在設上述供給量(V)為1〇〇〜8〇〇L/小時的情 況’以20mm至80mm效果佳。 月 距離s2+距離s3亦與所要設置之鰭片7卜72、73的數量相 依’在本發明人之實驗中’當鰭片71、72、73為2片的情況， 距離s2 +5mm〜30mm效果較佳。 有關距離h2，理論上可理解的是距離越小效果越佳，但在 溫度之影響等實際問題上’則以5mm〜50mm效果較佳。 距離h3係與距離h2及氣體誘導構件70 (如圖3)的位置 nh\0030_2010\02 Π 2010\ECS\01959^0002 12 [S] 201128001 有關連，由本發明人之實驗結果得知5mm〜3〇mm具有較佳的 效果。 有關距離hi ’在本實驗使用電漿搶50之情況下，以距離 5cm是較為適合的，但因電漿搶5〇的使用具潛在的危險，然 而距離hi從1〇_迄至最長18〇mm均可獲得不錯效果。 另外，圖9係顯示由電漿搶50供給形成水窩9〇，及/或供 給矽純化氣體等之純化物質供給系統6〇所引起熔融矽1〇〇的 循，狀態。當電聚搶50對熔融石夕1〇〇照射電漿以及供給石夕純 =氣體等之純化物質供給纽6〇以高壓高速情氣流供給至 100之液面中心部，而在熔融石夕100表面形成水寫90， ==電漿搶50對該水离90照射電聚，而加大熔融石夕1〇〇 ί = 積’配合掛瑪2〇内溶融石夕100内部由於加熱 ΐίίϊίίϊ形成不同的溫度差分佈，可以使熔融石夕⑽内 ;純雜反轉半徑，提㈣融石夕_内部所含 鎌ίίηΐίί中均一性；藉由前述喷射氣流得以助長 用氣體、藥口等^1内々的循環授拌純化作用，同時擴大純化 除3冰士1夕_的接觸面積，以提昇純化效率。 漿槍5G的間歇照射方式來 石夕⑽適當的溫度梯度及溫度H佈以維騎堝20内部熔融 圖。 w細石夕100液面進行照射的實施例配置示意 電用時’必需以複數個 照射，然而如將該多組電漿槍^ 融石夕10〇液面進行 令心部照射，將使得純化訊I 5時針對熔融矽100的液面 坩堝20底部過熱破損了由f過熱而造成系統損壞，例如 多組電聚搶50以等負方切气見服以上問題，本發明利用將 例如圖11(A)所示為三組们⑻液面中心部a， 嘴搶50環繞液面中心部a、圖ι1(Β) nh\0030_2〇l〇\〇2丨丨2〇咖丨卿撕^ 201128001 過熱現象，=====射而致造成_20 險，因此必式，可能產生過熱的^ 液面ϊ電聚搶G照射的焦點集中在嫁融石夕100 產生，尚以確保在高能量電黎照射時，不致使_ 20 參ί圖，^亦確=融石夕1〇0能產生良好的熱循環效果。 12所不’其中’多組的電漿搶50係以特定的傾斜 角度相對於熔辦1GG的液面設置，而不同的傾 融

生的水窩9G形態亦有所差異， 或等於90 (·。）設置。如圖u所示，即有關Ξ ,„乂不同的傾斜角度α、/5設於液面上方，而液 喷射的實施方式，此時電漿搶5G _斜角度α、々同 一/、疋了電§_搶50照射於熔融_液面下的照射焦點，一般而 吕，如照射的焦點越深，則傾斜的角度〇^、万即越大，反之， 如照射的焦點越淺，則傾斜的角度α、沒即越小。此外，由於 坩堝20内部溫度的分佈(pr〇flle)將因前述電漿搶％照射角度 的改變而同時改變’相同地’所產生的水窩9〇形態亦有所差 異，此亦表示該不同的照射角度亦影響熔融矽1〇〇内部蒸發純 化的效率。如圖13(A)及圖13(B)則顯示為多組電漿搶5〇以不 同的傾斜角度對熔融矽100液面照射所形成不同的水窩9〇現 象。另外，值得一提的是，利用控制坩場操控機構3〇相對於 電漿搶50的位置調整，可以控制最佳的電漿照射位置及溫 度，而其所照射所形成的水窩90形態則由電漿槍5〇照射的傾 斜角度α、冷而決定。 以下，茲使用上述圖面，詳細地說明本發明最佳實施狀態。 本發明之基本的觀點為如何有效率地使純化精製所需的藥 、氣體及此等之混合體等與應純化的金屬石夕接觸、混入之課 題。 如同習知技術’金屬矽之溶融溫度大概是攝氏1425度。在 nh\O030_2010\02M2010\ECS\0l959-00002 14 201128001 這樣f高溫熔融矽的表面上，採取使純化精製用的藥品、氣體 及此等的齡體與之接觸並混人的方式讀昇純化的效果，惟 此等純化物質在到達高溫的熔融矽之前，會因該熔融矽的輻射 熱所引起的對流等因素而在未接觸、混入之前被霧化、排氣。 為解決該問題，先前技術提供了以下的對策。 其中之一為從溶融矽的堝坩底部吹入上述純化物 ΐ在合’但在實際的操作上卻具有以™^問 碭，亦p ’而要使用足以抵抗液態溶融矽高黏度之較大壓 此外為避免逆机，另需要自比溶融梦表面還 入，故誘導管路變長，亦即必須使用更細二 時，溶_將在該管路上逆縫在低溫區域ϊ 避免此情況’即有必要將該管路加熱保溫。且， ===發機械壓力而提高了管路破損的賴性。亦 的根據上述習知技術所採取的對策，會產生以下那樣 添加不純物’亦即製品純度會降低； C)安全上有問題。 又」雖亦可_機_拌方式進行 ί採牛下，從所謂維持純度的觀點來:還需ίϊ 應===::¾如氧化㈣等反 _3〇-2〇1〇_加赃咖 9^00002 15 201128001 被玻化之不純物係浮游於純化精製金屬表面，冷却之 過機械方式去除該表面部分而獲得純化精製品。 ^ 本方法為’通常在純度提升上是有限的，但如應用在 明之設備而同時執行各種不同之純化手法的情況下，將可明 超過以往的純化上限而完成純化。 貝 在本發明的情況，乃有關一種純化設備之開發，亦 純化精製用的材料呈氣體化、混合體化，使其有效率地接= 溶融矽並混入之流動控制為基礎而進行發明並實施甘 目的之新機構。 逆风具 可以理解的是，本發明所提供的金屬矽純化裝置，主 對現有的石夕純化晶爐設備而加以改造，該現有設備通常包人 腔室、掛堝、獅支樓體及加熱體等結構。至於本發明所= 該設備所為改造，包括透過在現有純化設備中設置以下至少一 種裝置，而在同-時間，以單一、全部或複數個裝置組合^ 金屬矽的純化製程： 友一組，於坩堝上方獨立的喷射機構，以將純化所需電漿、 氣體、藥品或其混合體等以高速喷射氣流供給至熔融矽之 ^並透過其特殊設計的供給管所產生的喷射氣流，麵融石夕 田面形成水窩(Dimple)現象，配合利用坩堝内熔融矽内部由於 =度梯度所產生不_溫度差分佈㈣file)，進而形成掛禍内 =熱對流循環以及加大其循環反轉半徑，使儒氣流得以助 ^^梦在_⑽循環游純化作用，同時擴大純化用氣 體、樂品等與熔融矽的接觸面積，提昇純化效率； 一組位於坩堝内熔融矽液面上方，相對於坩堝具有適當的 位置及距離，並配合純化氣體、藥品等供給管而設置之誘^ ，，透過誘導構相及其上賴的_，使純化㈣流供應至 面，因加熱作用所引起的上昇熱氣流，將該上昇的濕 /軋，^誘導至熔融矽表面，使濕潤氣體與熔融矽有效地接 杜純化效率；再者，為提升此—效率，從氣體流誘導構 件蚝迄至熔融矽表面為止的距離、從氣體流控制鰭片端迄至熔 nMO<)30-2<>,0'<»ll2〇l〇«CS\019S9^00〇2 [S] 201128001 融矽為止的距離以及從坩堝内周迄至氣體流控制韓片為 距離均至為重要；以及 的 一組位於腔室下方可昇降、旋轉及水平移動坩堝的操控機 ，，透過控制及變化坩堝相對於加熱體之移動位置，而改變熔 f固態·㈣界面喊之產线化效果，無雜由炫融石夕中 殘存的雜質濃度相對於固態-液態線之溫度偏析系數管理來 純化的效果。此外，透過_操控機構相對於職上方 =構件的距離調整’提供制氣體有效的迴流，以提昇 此t目對距離的控制，亦可改變喷射機構 =自〒至内取㈣置人時得以水平控制啟閉，咖減少腔 内邛的碳製品與氧反應影響熔融矽的純化反應。 如同上述，本發明乃係藉由改造既有金^ ：；取ΐ以往的西門子製法將低純度冶金石夕作ί生ϋΐ雷 池之原料矽純化成可廉價使用之發明。 匕電 【圖式簡單說明】 往生產單晶矽用攸備之剖面圖。 圖2 ·係本發明所改造之設備的第一實施 例=圖係她職造之可料運_之糊第二實施 圖4 ·係本發明說明圖3掛禍自腔 圖圖5:物幫_y爾細^=面 實施方 式投影圖及剖面圖 圖7 :係本發明誘導構件之投影剖‘ 圖8 .係本發明設置賴 圖9:係本發明由電聚搶和高魏:圓^ ㈣嶋編料梅及其 圖 nh\0030,20!0\02J 120 IO\ECS\01959-00002 201128001 及循環狀況示意圖 圖ίο:係本發 國川.你旱發明裴置 圖11 ··係本發明複卩機構位置關係圖 係本發明複數噴=:設置位置示意圖發$複數細娜則起絲魏面中 圖13部水窩示意圖 坩堝位置示意圖 【主要元件符號說明】 1:腔室 2 :坩堝 • 3:坩堝支撐體 4 :加熱體 5 :坩堝 10 :腔室 10a :上部腔室 l〇b :腔室本體 11 :加熱體 12 :減壓排氣管 13 :閘閥 φ 14 :閘閥操作臂 15 :排氣通路控制蓋 20 :坩堝 30 :坩堝操控機構 31 :坩堝操控機構基座 32 :坩堝操控機構移動軸 33 :掛堝操控機構電動機 40 :坩堝輸送機構 41 :坩堝輸送帶 5〇 :電漿搶 60 :純化物質供給系統 nh\0030.2010V02H201(AECS\OI9S9^)〇〇〇2

201128001 61 ··藥品、氣體供給管 62 :高壓氣體供給管 70 :氣體流誘導構件 71、72、73 :鍺片 74 :筒體 90 :水窩 _ 炫融矽。 a :外周管 b :内周管 a0:外周管出口端 b0 :内周管出口端 al .外周管出口端 bl :内周管出口端 a2 :外周管出口端 b2 :内周管出口端 hl :從電漿射出口迄至熔融矽表面之距離

h2 :從使氣體流有效地接觸熔融矽液面 迄至熔融矽表面之距離 W .最長縛片的長度 Μ .從氣體供給管端迄至絲射出口之距離 ^從電漿搶端迄至誘導構件内徑之距離 s2 .從電梁槍端迄至内侧鰭片之距 S3:鰭片和鰭片之間隔a:液面中 α、/9 :傾斜角度 鱗導構件鰭 片 nh\O030.20l0\02H2010\ECS\0l «9^)0002 [s]

Claims (1)

1. 201128001 七、申請專利範圍： 1、一種金屬矽純化裝置，針對現有的矽純化晶爐既有的設備 包含腔室、坩堝、坩堝支撐體及加熱體等結構加以改造， 設置包括以下至少一種裝置，而在同一時間，以單一、全 部或複數個裝置組合進行金屬矽的純化製程： 王 一獨立的喷射機構：係位於坩堝上方，以將純化所需電 t、藥品或其混合體等以高速喷射氣流供給至炼融 ί之ί面」並透過其特殊設計的供給管所產生的喷射氣 & ’在熔融矽表面形成水窩(Dimple)現象； 件：位於_内熔融魏面上方，相對於及 =i 3，#的位置及雜，並配合前述喷射機構 =上昇的濕潤氣體流誘導迴駐熔融=昇= 潤现體與炼融發有效地接觸，提昇純化效率；以及吏愚 機構：係位於腔室下方可調整昇降、旋轉 動掛禍的藉啸綱翻對於加鋪 =移 效=導構件及喷射機構的對應位置，以獲取最佳的純化 2:的1;所二中，噴射機構包括一 氣體、水溶性藥品等至_的液二: 等至_夕之液面中,^=^的朗、混合氣趙 4 们所述金屬石夕純化裝置，其尹 W、氣體供給管及高壓氣體供給管所== nh\0030,20J 0\02112010\ECS\0! 959^)〇〇〇2 20 201128001 ί物ίΪίί二用时職給频化所㈣藥品、氣 矽之液面中心部以進行純化。 咕。乳體等至溶融 如請求項4所述金屬石夕純化裝置，其中，純化 管端口徑為窄化的圓錐狀治具，藉以增ϊί 6 #« 7、 =求項4所述金屬频化I置，其中，純化物質供 Ϊ 同心複層管設計，以供給多種不同、3 口口、乱體、水溶性藥、濕潤氣體、水等純化物質。樂 所^^純化裝置’其中’該同心複層管為 中央内層管凸出於外層管之設計。 &曰e马 9 如請求項8所述金屬石夕純化裝置，其中，在内層管的出口 端可供給南壓的濕潤氣體(如幻及/或水， 口端則供給氬氣。 们出 1〇、求項7所述金財純化裝置，其中，該同心複層管為 中央内層管内縮於外層管之設計。 … U、如請求項10所述金屬石夕純化裝置，其中，在外層管的出 Ι = Γ給氫氣㈣’以提供作為與氧㈣反應生成水份 所兩的來源，而在崎管出σ端職給氧氣(〇2)，以提供 作為與燃燒氫0¾)反應生成水份所需的來源。 12、 如請求項1所述金財純化錢，其中喷射機構包括一 電装搶，除照射電漿至炼融石夕液面，且可用以射出金屬石夕 純化用之藥品、含該藥品的氣體等。 13、 如請求項12所述金屬石夕純化裝置，其中，該電漿搶係以 間歇局部照射方式制:融魏面進行電賊射，使熔融石夕 nh\〇030_2010\021120l0\ECS\019S9<00002 21 201128001 溫度形成具再現性變化的溫度梯度。 14求項12所述金屬石夕純化裝置，其中，該電漿搶係以 5==:=:面以下位置’進— 15、2耷求項14所述金屬矽純化裝置，其中，電浆搶的傾 角度相對於熔融矽的液面係小於或等於9〇。）。、 16 金屬石夕純化裝置，其中，操控機構包括掛 電動機，而可控制坩堝在腔室内之昇 體之位置而移動熔融矽固態_液態界面而使之； ίί:ί:=作用’且控制調整坩堝熔融矽液面相對5 相對距離的控制，亦可改變喷射機構之喷射氣 於熔融矽液面所產生的水窩形態的變化。、 17、如請求項16所述金屬石夕純化裝置，其巾 及搬運一 響熔融㈣純化反應。 心“與氧反應而影 19、如請求項1所述金屬石夕純化 筒體以及由筒體下緣向外延伸之若^片诱導構件包括一 nh\0030_2010\02112010\ECS\01959*00002 22 [S] 201128001 2〇求項19所述金屬石夕純化裝置，其令，位於掛禍内熔 石液面_L方賴導構件’當純化物質供料統的噴射壓 ft通過料構件氣體流之供給量（V)為1GG〜800L/小 夺時，從氣體供給管端迄至電漿射出口之距離距離 ’而此為最大值；另從電漿射出口迄融梦表面之 f離(hi)在l〇mm〜18〇mm範圍均可，而以距離5咖為較 1二至於，從電漿搶端迄至誘導構件内徑之距離距離(si)， 在藥品、氣體供給管及高壓氣體供給管下降至誘導構件的 ，置之情況，以l〇mm〜6〇111111較佳；另從電漿搶端迄至内 片之距離(s2)與純化物質供給系統的>1力及氣體的供 ❿ 、給1 (V)相依，亦即與通過該空間之氣體流速有關，當 供、量(V)為100〜800L/小時’以2〇mm〜80mm效果較佳； 至於從電漿搶端迄至内側鰭片之距離(s2)加上鰭片間之間 隔距離(S3)則與所要設置之鰭片的數量相依，當鰭片為二 片的情況下，則以從電漿搶端迄至内側鰭片之距離(s2)加 上5mm〜30mm效果較佳；另有關誘導構件鰭片迄至熔融 石夕表面之距離(h2)，則以5mm〜50mm效果較佳；而誘導 構件最長鰭片的長度(h3)以5mm〜30mm具有較佳的效果。 21、如，求項1所述金屬矽純化裝置，其中，利用真空壓力泵 • 及氣體流量閥控制腔室内氣壓及氣體的流量，並且為避免 因連續供給純化物質-水蒸氣等所產生壓力上昇所造成危 險，因此藉此墨力泵經由減壓排氣管抽取以調節壓力丨藉 由改變純化設備腔室内的真空度，以提供原料矽内所含^ 種不純物的蒸發條件，並避免熔融矽產生突沸現象，確保 安全的冶金矽純化製程。 nh\0030.20IO\02U201(AECS\019S9-0〇〇〇2 23