[发明专利]制造碳化硅原料的方法

说明书

技术领域

本发明关于一种环保的方式，特别是关于一种以环保的方式制造碳化硅原料的方法与系统。

背景技术

本发明是美国临时专利申请案，申请号61/321,608，申请日2010年4月7日，题为”Method For Fabricating Silicon Carbide Material”的相关申请案，该临时申请案的全文并入本文，视为本案说明书的一部分。

硅(silicon)与碳化硅(silicon carbide)是用于制造许多半导体装置与光电装置的原料。在今日电子工业中，硅占有主要地位；然而，在某些应用上，碳化硅能展现更好的性质。例如，碳化硅的导热系数比铜与硅更高，因此在需要良好散热效率的半导体装置中，例如发光二极管、太阳能电池、整流二极管等，经常采用碳化硅作为基板的材料。

现有习知技术已经发展出许多制造硅与碳化硅原料的方法或系统，以下将从环境保护的观点探讨它们。

制造碳化硅原料最常见的方法，是将硅土(二氧化硅，SiO₂)与碳投入一温度大于250℃以上的艾克森石墨电阻式火炉(Acheson graphite electric resistance furnace)，使发生下列化学反应：

SiO₂+C→SiC+O₂  ……(1)

图1显示根据现有习知艾克森方法，制造碳化硅原料的一系统。由于在火炉内的反应(1)为吸热反应，必须额外提供许多热能，或者提供电能再转换成热能，给予火炉使其保持足够的反应温度。另外，上述反应还需要大量的碳，其来源为煤矿、木炭，或者燃烧树木而得，如此耗费许多天然资源，并破坏大自然环境。

另一方面，在工业上硅原料通常是以高纯度的硅土(二氧化硅)与树木、木炭或煤矿在一具有碳电极的电弧火炉(electric arc furnace)内发生反应而获得。当温度超过1,900℃，根据下列化学反应式，碳将二氧化硅还原成硅：

SiO₂+C→Si+CO₂  …….(2)

接着，在火炉底部收集反应后的液态硅原料，使其排出火炉并冷却，即可获得硅原料。以此方法制造的硅原料被称为「冶金级硅(metallurgical grade silicon)」，其硅的纯度可达98％。在某些应用，例如太阳能电厂(solar power plant)，需要更高纯度的硅。实务上，太阳能源的产生，是以所谓的太阳能电池(solar cells)，其具有高纯度的硅组件，可将太阳能转换成电能。纯度更高的硅可增加太阳能电池的可靠度。因此，在太阳能电厂的应用中，需要将上述的冶金级硅，进一步纯化成太阳能电池等级的硅原料。

图2显示一现有习知硅原料产生厂的系统，其利用上述反应式(2)制造硅原料，所制造之硅原料可应用于一太阳能电厂或一太阳能电池制造厂。首先，此系统会具有如图1所示系统的两个缺点。第一，必须提供大量的热能，或电能再转换成热能，使反应得以进行。第二，必须从大自然取得树木、煤矿或木炭，使生活环境遭受破坏。除此之外，一个更严重的问题是，此反应会产生大量的二氧化碳。而众所周知，现今全球最关心的问题，莫过于因为二氧化碳大量排放，造成温室效应暨而全球暖化，对现今与未来的环境造成影响。为解决此问题，全世界已经投入许多努力以研究开发出新的替代能源，可不消耗天然资源，并且不会排放出二氧化碳。近年来，太阳能电厂或太阳能电池制造厂，因为生产无污染且取之不尽的太阳能，成为最受瞩目与进展最快的产业。然而，为了制造更高纯度的硅，太阳能电厂等却使用了一个会消耗天然资源与排放二氧化碳的系统。换句话说，取之不尽、无污染的太阳能是借由牺牲其它天然资源与环境生态而获得。

为了制造高纯度的碳化硅原料，现有习知方法提供了会破坏环境的生产方法。因此，亟需在对环境有利的条件下，提供新的制造碳化硅原料的方法或系统。

由此可见，上述现有的技术在方法及使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。因此如何能创设一种新的制造碳化硅原料的方法实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的技术存在的缺陷，而提供一种新的制造碳化硅原料的方法，所要解决的技术问题是使其在于提供有利于环境的制造碳化硅原料的系统与方法，非常适于实用。