專利名稱：制造碳化硅原料的方法
技術領域：
本發明關于一種環保的方式，特別是關于一種以環保的方式制造碳化硅原料的方法與系統。
背景技術：
本發明是美國臨時專利申請案，申請號61/321，608，申請日2010年4月7日，題為”Method For Fabricating Silicon Carbide Material” 的相關申請案，該臨時申請案的全文并入本文，視為本案說明書的一部分。硅(silicon)與碳化硅(silicon carbide)是用于制造許多半導體裝置與光電裝置的原料。在今日電子工業中，硅占有主要地位；然而，在某些應用上，碳化硅能展現更好的性質。例如，碳化硅的導熱系數比銅與硅更高，因此在需要良好散熱效率的半導體裝置中， 例如發光二極管、太陽能電池、整流二極管等，經常采用碳化硅作為基板的材料。現有習知技術已經發展出許多制造硅與碳化硅原料的方法或系統，以下將從環境保護的觀點探討它們。制造碳化硅原料最常見的方法，是將硅土( 二氧化硅，SiO2)與碳投入一溫度大于 250°C 以上的艾克森石墨電阻式火爐(Acheson graphite electric resistance furnace), 使發生下列化學反應Si02+C — SiC+02 ......(1)圖1顯示根據現有習知艾克森方法，制造碳化硅原料的一系統。由于在火爐內的反應(1)為吸熱反應，必須額外提供許多熱能，或者提供電能再轉換成熱能，給予火爐使其保持足夠的反應溫度。另外，上述反應還需要大量的碳，其來源為煤礦、木炭，或者燃燒樹木而得，如此耗費許多天然資源，并破壞大自然環境。另一方面，在工業上硅原料通常是以高純度的硅土(二氧化硅)與樹木、木炭或煤礦在一具有碳電極的電弧火爐(electric arc furnace)內發生反應而獲得。當溫度超過 1，900°C，根據下列化學反應式，碳將二氧化硅還原成硅Si02+C — Si+CO2 ....... (2)接著，在火爐底部收集反應后的液態硅原料，使其排出火爐并冷卻，即可獲得硅原料。以此方法制造的硅原料被稱為「冶金級硅(metallurgical grade silicon)」，其硅的純度可達98%。在某些應用，例如太陽能電廠(solar power plant)，需要更高純度的硅。 實務上，太陽能源的產生，是以所謂的太陽能電池(solar cells)，其具有高純度的硅組件， 可將太陽能轉換成電能。純度更高的硅可增加太陽能電池的可靠度。因此，在太陽能電廠的應用中，需要將上述的冶金級硅，進一步純化成太陽能電池等級的硅原料。圖2顯示一現有習知硅原料產生廠的系統，其利用上述反應式(2)制造硅原料，所制造之硅原料可應用于一太陽能電廠或一太陽能電池制造廠。首先，此系統會具有如圖1 所示系統的兩個缺點。第一，必須提供大量的熱能，或電能再轉換成熱能，使反應得以進行。 第二，必須從大自然取得樹木、煤礦或木炭，使生活環境遭受破壞。除此之外，一個更嚴重的問題是，此反應會產生大量的二氧化碳。而眾所周知，現今全球最關心的問題，莫過于因為二氧化碳大量排放，造成溫室效應暨而全球暖化，對現今與未來的環境造成影響。為解決此問題，全世界已經投入許多努力以研究開發出新的替代能源，可不消耗天然資源，并且不會排放出二氧化碳。近年來，太陽能電廠或太陽能電池制造廠，因為生產無污染且取之不盡的太陽能，成為最受矚目與進展最快的產業。然而，為了制造更高純度的硅，太陽能電廠等卻使用了一個會消耗天然資源與排放二氧化碳的系統。換句話說，取之不盡、無污染的太陽能是借由犧牲其它天然資源與環境生態而獲得。為了制造高純度的碳化硅原料，現有習知方法提供了會破壞環境的生產方法。因此，亟需在對環境有利的條件下，提供新的制造碳化硅原料的方法或系統。由此可見，上述現有的技術在方法及使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。因此如何能創設一種新的制造碳化硅原料的方法實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前業界極需改進的目標。
發明內容
本發明的目的在于，克服現有的技術存在的缺陷，而提供一種新的制造碳化硅原料的方法，所要解決的技術問題是使其在于提供有利于環境的制造碳化硅原料的系統與方法，非常適于實用。本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種制造一碳化硅原料的方法，包含回收自一工廠排放的一二氧化碳；以及利用回收的該二氧化碳與一二氧化硅制造該碳化硅原料與一氧氣。本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。前述的方法，其中所述的該工廠包含一火力發電廠，該火力發電廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。前述的方法，其中所述的該火力發電廠尚包含提供制造該碳化硅原料所需的電能。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣被回收至該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。前述的方法，其中所述的該工廠包含一硅原料產生廠，該硅原料產生廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣被回收至該硅原料產生廠的該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。前述的方法，其中所述的所需的該二氧化硅取自硅礦石。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣被回收至一建筑物的一空調系統，用于保持該建筑物中二氧化碳與氧氣的濃度平衡。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣與一氫氣燃燒以產生蒸汽與能源。前述的方法，其中所述的在產生該碳化硅原料的過程中，一個硅原子封存一個碳原子，借此沒有產生任何含碳的副產品。本發明的目的及解決其技術問題還采用以下技術方案來實現。依據本發明提出的一種制造一碳化硅原料的方法，包含回收自一工廠排放的一二氧化碳；以及利用回收的
5該二氧化碳與一硅原料制造該碳化硅原料與一氧氣。本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。前述的方法，其中所述的該工廠包含一火力發電廠，該火力發電廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。前述的方法，其中所述的該火力發電廠尚包含提供制造該碳化硅原料所需的電能。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣被回收至該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。前述的方法，其中所述的該工廠包含一硅原料產生廠，該硅原料產生廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣被回收至該硅原料產生廠的該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。前述的方法，其中所述的所需的該硅原料取自損壞的半導體裝置。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣被回收至一建筑物的一空調系統，用于保持該建筑物中二氧化碳與氧氣的濃度平衡。前述的方法，其中所述的所產生的該氧氣與一氫氣燃燒以產生蒸汽與能源。前述的方法，其中所述的在產生該碳化硅原料的過程中，一個硅原子封存一個碳原子，借此沒有產生任何含碳的副產品。本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。由以上技術方案可知，本發明的主要技術內容如下提供一種制造一碳化硅原料的方法，包含回收自一工廠排放的一二氧化碳；以及利用回收的該二氧化碳與一二氧化硅制造該碳化硅原料與一氧氣。另一實施例提供一種制造一碳化硅原料的方法，包含回收自一工廠排放的一二氧化碳；以及利用回收的該二氧化碳與一硅原料制造該碳化硅原料與一氧氣。借由上述技術方案，本發明制造碳化硅原料的方法至少具有下列優點及有益效果第一，本發明所采用的反應式與程序不會產生任何二氧化碳。第二，本發明提供了火力發電廠或硅原料產生廠之二氧化碳排放的解決辦法。從火力發電廠或硅原料產生廠的火爐所排放的二氧化碳，可全部或大體上被回收，作為生產碳化硅原料的反應物。相較于將二氧化碳埋藏于地底，本發明提供一種更經濟與安全的處理二氧化碳的方法。或者，本發明提供的系統與方法，可視為另一種更有效率的「碳封存」。 注意到在本發明實施例所利用的反應式(3)與中，一個硅原子「捕捉」一個碳原子，因此除了所需產物之外，不會產生任何含碳的副產品。第三，本發明利用回收的二氧化碳作為反應物，可大幅減少天然資源，例如煤、木炭、樹木、石油、天然氣等的消耗，因此大自然環境得以受到保護，材料成本得以巨幅降低。第四，本發明之生產碳化硅的系統，可連接一工廠，例如實施例中的火力發電廠或硅原料產生廠，其可就近、有效率地提供生產碳化硅系統所需的熱能與電能，降低能量損失。特別地，在圖7的實施例中，所有的反應物，包含硅與二氧化碳，甚至可全部取得自硅原料產生廠。第五，本發明實施例所生產的碳化硅可用于制造各種工業裝置或組件，例如發光
6二極管。所產生的氧氣可回收至一設備，例如前述火力發電廠或硅原料產生廠的火爐，作為燃燒石化燃料時的氧化劑或助燃劑。或者，所產生的氧氣可回收至一建筑物，例如一住宅的一空調系統，用于保持該建筑物的二氧化碳/氧氣濃度平衡。或者，所產生的氧氣可與氫氣燃燒，產生蒸汽與能源，可具有許多應用。第六，參照圖2，在生產硅原料時，因為生成物「二氧化碳」被回收用于生產碳化硅，且生產碳化硅的副產品氧氣可回收至硅原料產生廠的火爐，使提高產硅火爐的效率，因此整個反應會更傾向生成物「硅」的方向，硅的產率得以提高。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。
圖1顯示根據現有習知方法制造碳化硅原料的一系統；圖2顯示一現有習知硅原料產生廠的一制造硅原料系統；圖3顯示一傳統火力發電廠的物料與能量平衡圖；圖4顯示根據本發明一實施例的制造碳化硅的方框圖；圖5顯示根據本發明另一實施例制造碳化硅的方框圖；圖6顯示根據本發明另一實施例的制造碳化硅的方框圖；以及圖7顯示根據本發明另一實施例的制造碳化硅的方框圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的制造碳化硅原料的方法其具體實施方式
、方法、步驟、特征及其功效，詳細說明如后。以下將詳述本案的各實施例，并配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的范圍內，并以之后的專利范圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的了解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或組件并未描述于細節中，以避免造成本發明不必要之限制。在揭露本發明各實施例之前，首先額外討論現有習知技術如何處理燃燒各種含碳燃料，例如石油與煤礦，所產生的二氧化碳。圖3顯示一傳統火力發電廠(thermal power plant)的物料與能量平衡圖。經由燃燒樹木、煤或木炭(或其它天然資源例如油或天然氣) 產生蒸汽，再將蒸汽的熱能經由蒸汽渦輪(steam turbine)轉換成電能，同時，這種燒碳電廠將無可避免地會產生二氧化碳。另外，電廠生產的部分廢熱能也會被浪費，而這些廢熱可能會破壞生態平衡。實務上，是利用一種稱為「碳封存」(carbon sequestration)的技術，處理火力發電廠(或硅原料產廠或其它工廠)之排放二氧化碳的問題。碳封存的方式是「捕捉」空氣中的二氧化碳或其它形式存在的碳，再將其深埋于地底或海洋，以減緩地球暖化。近年來，
7碳封存已經成為減緩由于燃燒石化石化燃料之溫室氣體累積的一種處理方法。雖然「碳封存」具有可行性，但其實施成本昂貴并有許多缺點。為了埋藏于地底， 必須將二氧化碳壓縮成液態形式。雖然埋藏二氧化碳的地點是預先挑選過的，但仍有可能發生泄漏。泄漏的液態二氧化碳與地下水混合，會產生毒性，而不利于被人類或生物取用。本發明提出一種新的方案制造碳化硅。此方案提供的制造方法不僅不會產生二氧化碳，還提供了一種辦法，使從火力發電廠、硅原料產生廠，或任何其它燃燒石化燃料的設備，所排放的大量二氧化碳，獲得良好解決。不同于反應式(1)與O)，本發明構想出碳化硅原料可以利用下列兩個化學反應式制造Si02+C02 — SiC+202 ......(3)Si+CO2 ^ SiC+02 .........…利用反應式(3)與G)，本發明提供低成本、高效率、有利于環境之制造碳化硅的方法與系統。圖4顯示根據本發明一實施例利用上述反應式(3)制造碳化硅的方框圖。在本實施例，反應所需的二氧化硅可取自硅礦石(wollastonite)、所需的二氧化碳可取自一火力發電廠的一火爐(furnace)所產生的二氧化碳。因為反應式(3)是吸熱反應，需要熱能觸發反應，而所需熱能的一部分或全部，可取自上述火力發電廠之火爐所產生的廢熱能。另外， 反應所需的電能，是用于轉換成反應所需的熱能，或者用于控制反應的一電子系統，可方便地由正好產生電能的火力發電廠提供。借由提供上述進料與能源，反應得以進行并產生碳化硅原料與氧氣。另外，可再實施一純化程序，使提高所產生碳化硅原料的純度。圖5顯示根據本發明另一實施例利用上述反應式(4)制造碳化硅的方框圖。在本實施例，反應所需的二氧化碳可取自一火力發電廠的一火爐(furnace)所產生的二氧化碳、所需的硅可取自損壞的含硅半導體裝置或組件，例如多晶失敗的硅柱、不合格的結晶硅、破碎的硅晶圓等等。因為反應式(4)是吸熱反應，需要熱能觸發反應，而所需熱能的一部分或全部，可取自上述火力發電廠之火爐所產生的廢熱能。另外，反應所需的電能，用于轉換成反應所需的熱能，或者用于控制反應的一電子系統，可方便地由正好產生電能的火力發電廠提供。借由提供上述進料與能源，反應得以進行并產生碳化硅原料與氧氣。另外， 可再實施一純化程序，使提高所產生碳化硅原料的純度。圖6顯示根據本發明另一實施例利用上述反應式C3)制造碳化硅的方框圖。在本實施例，反應所需的二氧化硅可取自硅礦石、所需的二氧化碳可取自一硅原料產生廠的一產硅火爐所產生的二氧化碳。在本文中「硅原料產生廠」指的是一可制造硅原料的工廠，可應用于，例如，一生產太陽能電池的工廠，或者應用于一太陽能電廠，其利用以高純度硅所制成的太陽能板或太陽能電池，將太陽能轉換成電能。因為反應式(3)是吸熱反應，需要熱能觸發反應，而所需熱能的一部分或全部，可取自上述硅原料產生廠之火爐所產生的廢熱能。借由提供上述進料與能源，反應得以進行并產生碳化硅原料與氧氣。另外，可再實施一純化程序，使提高所產生碳化硅原料的純度。圖7顯示根據本發明另一實施例利用上述反應式(4)制造碳化硅的方框圖。在本實施例，反應所需的二氧化碳可取自一硅原料產生廠的一產硅火爐所產生的二氧化碳、所需的硅可取自損壞的含硅半導體裝置或組件，例如多晶失敗的硅柱、不合格的結晶硅、破碎
8的硅晶圓等等。或者，反應所需的硅，可取自前述硅原料產生廠之產硅火爐所生產的硅原料。因為反應式(4)是吸熱反應，需要熱能觸發反應，而所需熱能的一部分或全部，可取自上述硅原料產生廠之產硅火爐所產生的廢熱能。借由提供上述進料與能源，反應得以進行并產生碳化硅原料與氧氣。另外，可再實施一純化程序，使提高所產生碳化硅原料的純度。值得注意的是，上述眾實施例利用一火力發電廠或一硅原料產生廠所產生的二氧化碳與廢熱能，作為反應所需的反應物(reactant)來源；然而，本領域熟悉技藝人士知道， 反應所需的二氧化碳與熱能，也可以取自其它具有相同二氧化碳排放與廢熱能排放問題的任何工廠。本發明所揭露的眾實施例更具有許多優點與特色如下。第一，本發明所采用的反應式與程序不會產生任何二氧化碳。第二，本發明提供了火力發電廠或硅原料產生廠之二氧化碳排放的解決辦法。從火力發電廠或硅原料產生廠的火爐所排放的二氧化碳，可全部或大體上被回收，作為生產碳化硅原料的反應物。相較于將二氧化碳埋藏于地底，本發明提供一種更經濟與安全的處理二氧化碳的方法。或者，本發明提供的系統與方法，可視為另一種更有效率的「碳封存」。注意到在本發明實施例所利用的反應式(3)與中，一個硅原子「捕捉」一個碳原子，因此除了所需產物之外，不會產生任何含碳的副產品。第三，本發明利用回收的二氧化碳作為反應物可大幅減少天然資源，例如煤、木炭、樹木、石油、天然氣等的消耗，因此大自然環境得以受到保護，材料成本得以巨幅降低。 第四，本發明之生產碳化硅的系統，可連接一工廠，例如實施例中的火力發電廠或硅原料產生廠，其可就近、有效率地提供生產碳化硅系統所需的熱能與電能，降低能量損失。特別地， 在圖7的實施例中，所有的反應物，包含硅與二氧化碳，甚至可全部取得自硅原料產生廠。第五，本發明實施例所生產的碳化硅可用于制造各種工業裝置或組件，例如發光二極管。所產生的氧氣可回收至一設備，例如前述火力發電廠或硅原料產生廠的火爐，作為燃燒石化燃料時的氧化劑或助燃劑。或者，所產生的氧氣可回收至一建筑物，例如一住宅的一空調系統，用于保持該建筑物的二氧化碳/氧氣濃度平衡。或者，所產生的氧氣可與氫氣燃燒，產生蒸汽與能源，可具有許多應用。第六，參照圖2，在生產硅原料時，因為生成物 「二氧化碳」被回收用于生產碳化硅，且生產碳化硅的副產品氧氣可回收至硅原料產生廠的火爐，使提高產硅火爐的效率，因此整個反應會更傾向生成物「硅」的方向，硅的產率得以提尚ο以上，本發明眾實施例所提供新穎的系統與方法，以節省成本、充分有效利用能源、環保的方式，制造碳化硅原料并增加硅原料的生產效率。值得注意的是，在本文中不定冠詞「一」使用，并非用于限制數量，而僅是表示先前未出現過的名詞。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種制造一碳化硅原料的方法，其特征在于包含回收自一工廠排放的一二氧化碳；以及利用回收的該二氧化碳與一二氧化硅制造該碳化硅原料與一氧氣。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于該工廠包含一火力發電廠，該火力發電廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于該火力發電廠尚包含提供制造該碳化硅原料所需的電能。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣被回收至該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于該工廠包含一硅原料產生廠，該硅原料產生廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣被回收至該硅原料產生廠的該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于所需的該二氧化硅取自硅礦石。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣被回收至一建筑物的一空調系統，用于保持該建筑物中二氧化碳與氧氣的濃度平衡。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣與一氫氣燃燒以產生蒸汽與能源。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于在產生該碳化硅原料的過程中，一個硅原子封存一個碳原子，借此沒有產生任何含碳的副產品。
11.一種制造一碳化硅原料的方法，其特征在于包含回收自一工廠排放的一二氧化碳；以及利用回收的該二氧化碳與一硅原料制造該碳化硅原料與一氧氣。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于該工廠包含一火力發電廠，該火力發電廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于該火力發電廠尚包含提供制造該碳化硅原料所需的電能。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣被回收至該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于該工廠包含一硅原料產生廠，該硅原料產生廠具有一火爐，且該火爐所產生的廢熱能提供制造該碳化硅原料所需的至少部分熱能來源。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣被回收至該硅原料產生廠的該火爐，作為一氧化劑或一助燃劑。
17.如權利要求11所述的方法，其特征在于所需的該硅原料取自損壞的半導體裝置。
18.如權利要求11所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣被回收至一建筑物的一空調系統，用于保持該建筑物中二氧化碳與氧氣的濃度平衡。
19.如權利要求11所述的方法，其特征在于所產生的該氧氣與一氫氣燃燒以產生蒸汽與能源。
20.如權利要求11所述的方法，其特征在于在產生該碳化硅原料的過程中，一個硅原子封存一個碳原子，借此沒有產生任何含碳的副產品。
全文摘要
本發明是有關于一種制造碳化硅原料的方法。在一實施例，制造碳化硅原料的方法是回收自工廠排放的二氧化碳；以及利用二氧化硅與回收的二氧化碳制造碳化硅原料與氧氣。在另一實施例，制造碳化硅原料的方法是回收自工廠排放的二氧化碳；以及利用硅與回收的二氧化碳制造碳化硅原料與氧氣。
文檔編號C01B31/36GK102211768SQ20111003831
公開日2011年10月12日 申請日期2011年2月12日 優先權日2010年4月7日
發明者蔡文貴 申請人:佶益投資股份有限公司