(57)【要約】【課題】コストを抑え、エネルギーを十分に有効利用し、環境保護にも適し、炭化ケイ素原料を製造しケイ素原料の生産効率を高める新たなシステムと方法を提供する。【解決手段】工場から排出される二酸化炭素を回収し、二酸化ケイ素と回収された二酸化炭素を利用した炭化ケイ素原料と酸素を製造するものである。他の実施形態では、炭化ケイ素原料の製造方法は、工場から排出される二酸化炭素を回収し、ケイ素と回収された二酸化炭素を利用し炭化ケイ素原料と酸素を製造するものである。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素原料の製造方法であって、
工場から排出される二酸化炭素を回収する工程と、
回収した前記二酸化炭素と二酸化ケイ素を利用し前記炭化ケイ素原料と酸素を製造する工程を含むことを特徴とする炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項２】
前記工場は火力発電所を含み、前記火力発電所はボイラーを有し、また前記ボイラーが産出する廃熱は前記炭化ケイ素原料の製造に必要な少なくとも部分的な熱源を供給することを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項３】
前記火力発電所は前記炭化ケイ素原料の製造に必要な電源の供給をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項４】
産出された前記酸素は前記ボイラーに回収され、酸化剤或いは助燃剤の役割を果たすことを特徴とする、請求項２に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項５】
前記工場はケイ素原料の生産工場を含み、前記ケイ素原料の生産工場はボイラーを有し、また前記ボイラーが産出する廃熱は前記炭化ケイ素原料の製造に必要な少なくとも部分的な熱源を供給することを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項６】
産出された前記酸素は前記ケイ素原料産出工場の前記ボイラーに回収され、酸化剤或いは助燃剤の役割を果たすことを特徴とする、請求項５に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項７】
必要とする前記二酸化ケイ素は珪灰石から採取されることを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項８】
産出された前記酸素は建築物の空調システムに回収され、前記建築物中の二酸化炭素と酸素の濃度バランスの保持に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項９】
産出された前記酸素と水素は燃焼され蒸気とエネルギーが産出されることを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１０】
前記炭化ケイ素原料を産出する過程において、一個のケイ素原子は一個炭素原子と結合され、このため炭素が含まれる副産物は一切産出されないことを特徴とする、請求項１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１１】
炭化ケイ素原料の製造方法であって、
工場排出から排出される二酸化炭素を回収する工程と、
回収された前記二酸化炭素とケイ素原料を利用し前記炭化ケイ素原料と酸素を製造する工程を含むことを特徴とする炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１２】
前記工場は火力発電所を含み、前記火力発電所はボイラーを有し、また前記ボイラーから産出される廃熱は前記炭化ケイ素原料の製造に必要な少なくとも部分的な熱源を供給することを特徴とする、請求項１１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１３】
前記火力発電所は前記炭化ケイ素原料の製造に必要な電源の供給を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１４】
産出された前記酸素は前記ボイラーに回収され、酸化剤或いは助燃剤の役割を果たすことを特徴とする、請求項１２に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１５】
前記工場はケイ素原料の生産工場を含み、前記ケイ素原料の生産工場はボイラーを有し、また前記ボイラーが産出する廃熱は前記炭化ケイ素原料の製造に必要な少なくとも部分的な熱源を供給することを特徴とする、請求項１１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１６】
産出された前記酸素は前記ケイ素原料の生産工場の前記ボイラーに回収され、酸化剤或いは助燃剤の役割を果たすことを特徴とする、請求項１５に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１７】
必要とする前記ケイ素原料は損壊した半導体装置から採取されることを特徴とする、請求項１１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１８】
産出された前記酸素は建築物の空調システムに回収され、前記建築物中の二酸化炭素と酸素の濃度バランスの保持に用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項１９】
産出された前記酸素と水素は燃焼され蒸気とエネルギーが産出されることを特徴とする、請求項１１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【請求項２０】
前記炭化ケイ素原料が産出される過程において、一個のケイ素原子は一個の炭素原子と結合され、このため炭素が含まれる副産物は一切産出されないことを特徴とする、請求項１１に記載の炭化ケイ素原料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境保護に適した、炭化ケイ素原料の製造方法とシステムに関する。本発明はアメリカ合衆国仮出願特許、出願番号６１／３２１、６０８、出願日２０１０年４月７日、タイトル”Method For Fabricating Silicon Carbide Material”に関する出願であり、仮出願文献の全文を本文中に加え、本出願案件の説明の一部とする。
【背景技術】
【０００２】
ケイ素（silicon）と炭化ケイ素（silicon carbide）は多くの半導体装置や電光装置を製造するための原料として用いられている。今日の電子工業界においては、ケイ素が主要な位置を占めているが、然しながらその応用法については、炭化ケイ素の方がより良い性質を示している。例えば、炭化ケイ素の導熱係数は銅やケイ素と比べてもより高く、そのため、より高効率な熱発散を要する半導体装置の中で、例えば発光ダイオード、太陽電池、整流ダイオード等に、炭化ケイ素が基板の材料として採用されている。
【０００３】
従来の技術中には既に多くのケイ素と炭化ケイ素原料の製造方法或いはシステムが生み出されており、以下に環境保護の観点からそれらを考察する。
炭化ケイ素原料の最も一般的な製造方法は、ケイ石（二酸化ケイ素、ＳｉＯ2）と炭素を温度２５０℃以上のアチソン型黒鉛化炉（Acheson graphite electric resistance furnace）へ投入し、下記の化学反応を発生させるものである。
ＳｉＯ2  ＋  Ｃ  →  ＳｉＣ  ＋  Ｏ2    ・・・・・・  （１）
図１は従来のアチソン法による、炭化ケイ素原料の製造システムを示す。ボイラー内の反応（１）は吸熱反応であり、外部からの多くの熱源が必要、或いは電源を熱源に換え供給する必要があり、それによりボイラー内を反応を起こすのに十分な温度に保つ。このほか、上述の反応には大量の炭素が必要であり、この原料は炭鉱、木炭、或いは樹木を燃焼して得、そのため多くの天然資源が消費され、自然環境の破壊を招いた。
【０００４】
その一方で、工業上ケイ素原料は通常高純度のケイ石（二酸化ケイ素）と樹木、木炭或いは炭鉱を炭素電極を有するアーク炉（electric arc furnace）内で反応させ獲得する。温度が１、９００℃を超えると、下記の化学反応式のように、炭素は二酸化ケイ素をケイ素へと戻す。
【０００５】
ＳｉＯ2  ＋  Ｃ  →  Ｓｉ  ＋  ＣＯ2・・・・・・．（２）
【０００６】
次に、ボイラー底部で反応後の液体ケイ素原料を收集し、これを排出しボイラーを冷却させると、ケイ素原料が得られる。この方法で製造されたケイ素原料は「金属級ケイ素（metallurgical grade silicon）」と呼ばれ、そのケイ素の純度は９８％にも達する。応用においては、例えば太陽光発電所（solar power plant）等は、さらに高純度のケイ素を必要とする。実際上、太陽光エネルギーの生産、所謂太陽電池（solar cells）は、高純度のケイ素部材を有し、太陽光エネルギーを電気エネルギーへと変換する。純度が更に高いケイ素は太陽電池の信頼性を高める。そのため、太陽光発電所での応用においては、上述の金属級ケイ素が必要であり、さらなる精製を行い太陽電池級のケイ素原料を得る。
【０００７】
図２は従来のケイ素原料の生産工場のシステムを示し、これは上述の反応式（２）を利用しケイ素原料を製造するものであり、製造されたケイ素原料は太陽光発電所或いは太陽電池製造工場に応用される。まず、このシステムは図１に示す二つのシステム的な欠点を有する。第一に、反応を起こさせるためには大量の熱源が必須であり、或いは電源を熱源に変換する必要がある。第二に、天然の樹木、炭鉱或いは木炭が必要とされ、生活環境の破壊を招く。これら以外に、さらに深刻な問題が一つあり、それはこの反応は大量の二酸化炭素を発生させてしまうことである。周知されるように、昨今国際的に最も関心を集める問題は、二酸化炭素の大量排出により、温室効果が生み出され地球温暖化を引き起こし、現在そして未来の環境へ深刻な影響をもたらす。この問題の解決のため、世界的規模で多大な努力を払い、天然資源を消耗させず、また二酸化炭素を排出しない新たな代替エネルギーの研究開発が行われている。近年、太陽光発電所或いは太陽電池製造工場は、汚染が無く、また太陽光エネルギーは無尽蔵であるため、最も注目され進展も速い産業となっている。然しながら、さらに高純度なケイ素の製造のため、太陽光発電所等は天然資源を消費し二酸化炭素を排出するシステムを採用している。言い換えるならば、無尽蔵で、汚染のない太陽光エネルギーはその他の天然資源と環境生態系を犠牲にし得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】アメリカ特許出願６１／３２１,６０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、高純度の炭化ケイ素原料を製造するには、前述した従来の技術では、環境破壊を招く。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、環境保護に適した炭化ケイ素原料の製造システムと方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る実施形態では、工場から排出される二酸化炭素の回収と、回収した二酸化炭素と二酸化ケイ素を利用し炭化ケイ素原料と酸素を製造する工程を含む炭化ケイ素原料の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明に係るその他の実施形態では、工場から排出される二酸化炭素の回収と、回収した二酸化炭素とケイ素原料を利用し炭化ケイ素原料と酸素を製造する工程を含む炭化ケイ素原料の製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は従来の方法の炭化ケイ素原料の製造システムを示す。
【図２】図２は従来のケイ素原料生産工場のケイ素原料製造システムを示す。
【図３】図３は従来の火力発電所の原料とエネルギーの平衡図である。
【図４】図４は本発明に係る実施形態の炭化ケイ素製造のブロック図である。
【図５】図５は本発明に係るその他の実施形態の炭化ケイ素製造のブロック図である。
【図６】図６は本発明に係るその他の実施形態の炭化ケイ素製造のブロック図である。
【図７】図７は本発明に係るその他の実施形態の炭化ケイ素製造のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を参照して本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本発明に係る各実施形態の説明の前に、まず従来の技術が如何にして、例えば石油や炭鉱等二酸化炭素を発生させる各種炭化燃料を燃焼処理するかについて説明する。
図３は従来の火力発電所（thermal power plant）の原料とエネルギーの平衡図である。樹木、煤或いは木炭（或いはその他の天然資源、油或いは天然ガス）を燃焼し蒸気を発生させ、蒸気の熱エネルギーを蒸気タービン（steam turbine）で電気エネルギーに変換させるが、同時に、この種の汽力発電所は二酸化炭素の産出を免れない。このほか、発電所の生産する部分的な廃熱は浪費され、これらの廃熱が生態系のバランスの破壊を招く。
【００１６】
実際上、「炭素隔離」（carbon sequestration）と呼ばれる技術を利用し、火力発電所（或いはケイ素原料生産工場又はその他の工場）から排出された二酸化炭素を処理する。炭素隔離方式は空気中の二酸化炭素中或いはその他の形態で存在する炭素を「捕捉」し、地下に埋蔵或いは海洋に投棄し、地球温暖化を軽減させる。近年、炭素隔離は石化燃料の燃焼による温室効果ガスの増加を軽減するための処理方法の一つとされている。
【００１７】
「炭素隔離」は実行性を有するが、但しこれの実施に掛かるコストは頗る高く多くの欠点を有する。地下に埋蔵するためには、二酸化炭素を圧縮し液体にする必要がある。二酸化炭素の埋蔵地点は予め厳しく選別されるが、但し漏洩する危険性は完全否定できない。漏洩した液体二酸化炭素と地下水が混ざり合うと、毒性を生み、人間或いは生物が利用するのに適さなくなる。
【００１８】
本発明は新たな方式で炭化ケイ素を製造する。この方式による製造方法は二酸化炭素を産出しないのみならず、さらに他の方法を提供し、火力発電所、ケイ素原料生産工場、或いはその他の石化燃料の燃焼設備から排出された大量の二酸化炭素の解決策となる。
【００１９】
反応式（１）と（２）とは異なり、本発明の構想では炭化ケイ素原料は下記の二つの化学反応式を利用し製造できる。
【００２０】
ＳｉＯ2  ＋  ＣＯ2  →  ＳｉＣ  ＋  ２°．．．．．．．．（３）
Ｓｉ  ＋  ＣＯ2  →  ＳｉＣ  ＋  Ｏ2．．．．．．．．．．（４）
【００２１】
反応式（３）と（４）を利用し、本発明は低コストで、高効率な、環境保護にも適した炭化ケイ素の製造方法とシステムを提供する。
【００２２】
図４は本発明に係る実施形態の上述の反応式（３）を利用した炭化ケイ素製造のブロック図である。本実施形態では、反応に必要な二酸化ケイ素は珪灰石（wollastonite）から採取され、必要な二酸化炭素は火力発電所のボイラー（furnace）から産出される二酸化炭素である。反応式（３）は吸熱反応であるため、熱源により反応を触発させる必要があるが、必要な熱源の一部分或いは全部が、上述の火力発電所のボイラーから産出された廃熱である。このほか、反応に必要な電源は、反応に必要な熱源へと変換され、或いは反応をコントロールする電子システムに用いられ、また電源は火力発電から供給されるために都合も良い。上述の原料とエネルギーの供給により、反応が進行し炭化ケイ素原料と酸素を産出させる。このほか、精製工程を実施し、産出される炭化ケイ素原料の純度を高める。
【００２３】
図５は本発明に係るその他の実施形態の上述の反応式（４）を利用した炭化ケイ素製造のブロック図である。
本実施形態では、反応に必要な二酸化炭素は火力発電所のボイラー（furnace）から産出された二酸化炭素であり、必要なケイ素はケイ素を含む損壊した半導体装置或いは部材から採取され、例えばエピタキシーに失敗したケイ素柱、検査で不合格とされた結晶ケイ素、破損したシリコンウェハー等である。反応式（４）は吸熱反応であるため、熱源により反応を触発させる必要があるが、必要な熱源の一部分或いは全部が、上述の火力発電所のボイラーから産出された廃熱である。このほか、反応に必要な電源は、反応に必要な熱源へと変換され、或いは反応をコントロールする電子システムに用いられ、また電源は火力発電から供給されるために都合も良い。上述の原料とエネルギーの供給により、反応が進行し炭化ケイ素原料と酸素が産出される。このほか、精製工程を実施し、産出される炭化ケイ素原料の純度を高める。
【００２４】
図６は本発明に係るその他の実施形態の上述の反応式（３）を利用した炭化ケイ素製造のブロック図である。
本実施形態では、反応に必要な二酸化ケイ素は珪灰石から採取され、必要な二酸化炭素はケイ素原料生産工場のケイ素生産用のボイラーから産出された二酸化炭素である。本文中の「ケイ素原料生産工場」とはケイ素原料の製造工場であり、応用においては、例えば、太陽電池の製造工場、或いは太陽光発電所であり、高純度のケイ素を利用した太陽光発電パネル或いは太陽電池を製造し、太陽光エネルギーを電気エネルギーへと変換する。反応式（３）は吸熱反応であるため、熱源により反応を触発させる必要があるが、必要な熱源の一部分或いは全部が、上述のケイ素原料生産工場のボイラーから産出された廃熱である。上述の原料とエネルギーの供給により、反応が進行し炭化ケイ素原料と酸素が産出される。このほか、精製工程を実施し、産出される炭化ケイ素原料の純度を高める。
【００２５】
図７は本発明に係るその他の実施形態の上述の反応式（４）を利用した炭化ケイ素製造のブロック図である。
本実施形態では、反応に必要な二酸化炭素はケイ素原料製造工場のケイ素生産用のボイラーから産出された二酸化炭素であり、必要なケイ素はケイ素を含む損壊した半導体装置或いは部材から採取され、例えばエピタキシーに失敗したケイ素柱、検査で不合格とされた結晶ケイ素、破損したシリコンウェハー等である。或いは、反応に必要なケイ素は、前述のケイ素原料生産工場のケイ素生産用のボイラーで生産されたケイ素原料から採取される。反応式（４）は吸熱反応であるため、熱源により反応を触発させる必要があるが、必要な熱源の一部分或いは全部が、上述のケイ素原料生産工場のケイ素生産用のボイラーで産出された廃熱である。上述の原料とエネルギーの供給により、反応が進行し炭化ケイ素原料と酸素が産出される。このほか、精製工程を実施し、産出される炭化ケイ素原料の純度を高める。
【００２６】
ちなみに、上述の実施形態は皆火力発電所或いはケイ素原料生産工場から産出される二酸化炭素と廃熱を利用し、反応に必要な反応物（reactant）とするが、然しながら、本領域に熟知した技術者ならば、反応に必要な二酸化炭素と熱源は、他の同じような二酸化炭素の排出と廃熱の排出問題を有する工場でも良いと分かる。
【００２７】
本発明に係る実施形態は皆、後述する多くの長所と特色を有する。第一に、本発明が採用する反応式と工程は如何なる二酸化炭素をも産出しない。第二に、本発明は火力発電所或いはケイ素原料生産工場の二酸化炭素排出問題の解決手段を提供する。火力発電所或いはケイ素原料生産工場のボイラーが排出する二酸化炭素は、全て或いは大部分が回収され、炭化ケイ素原料生産のための反応物とされる。二酸化炭素を地下に埋蔵する方法と比べ、本発明は更に経済的で安全な二酸化炭素の処理方法を提供する。或いは、本発明のシステムと方法は、更に効率的な一種の「炭素隔離」である。本発明に係る実施形態で利用される反応式（３）と（４）は、一個のケイ素原子が一個の炭素原子を「捕捉」し、これにより主産物以外、炭素を含む如何なる副産物をも産出しない。
【００２８】
第三に、本発明は回収された二酸化炭素を反応物として利用するため、例えば煤、木炭、樹木、石油、天然ガス等天然資源の消費を大幅に減少させ、これは自然環境の保護にもなり、材料コストをも大幅に減らす。第四に、本発明の炭化ケイ素の生産システムは工場に連結され、例えば実施形態中の火力発電所或いはケイ素原料生産工場は、つまりは炭化ケイ素の生産システムに必要な熱源と電源を効率的に提供でき、エネルギーの損失を減少させる。特に、図７の実施形態では、ケイ素と二酸化炭素を含む全ての反応物は、ケイ素原料生産工場で採取可能である。
【００２９】
第五に、本発明に係る実施形態の生産する炭化ケイ素は各種工業装置或いは部材の製造、例えば発光ダイオードに用いられる。産出された酸素は設備に回収され、例えば前述の火力発電所或いはケイ素原料生産工場のボイラー等であり、石化燃料の燃焼時の酸化剤或いは助燃剤の役割を果たす。或いは、産出された酸素は建築物に回収され、例えば住宅の空調システムであり、建築物の二酸化炭素／酸素濃度のバランスの保持に用いられる。または、産出された酸素水素と共に燃焼され、蒸気とエネルギーを産出し、様々に応用できる。第六に、図２に示すように、ケイ素原料の生産時、生成物である「二酸化炭素」は回収され炭化ケイ素の生産に用いられ、また炭化ケイ素生産の副産物である酸素はケイ素原料生産工場のボイラーに回収され、ケイ素生産用のボイラーの効率を高めるため、全ての反応は生成物「ケイ素」のために行われるようになり、ケイ素の生産率も向上する。
【００３０】
以上、本発明に係る実施形態は、コストを抑え、エネルギーを十分に有效利用し、環境にも優しい、炭化ケイ素原料を製造しケイ素原料の生産効率を高める新たなシステムと方法を提供する。
【００３１】
上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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