NIMSら,高純度Si生成プロセスの改善に知見

物質・材料研究機構(NIMS)と筑波大学は,従来は25%が限界といわれていた半導体用高純度シリコンを生成するシーメンス法のSi収率を向上させることに成功した(ニュースリリース)。

シリコン(Si)はありふれた元素だが,コンピューターや太陽電池などに利用される重要な戦略物質でもある。特にエネルギー問題の解決にむけて,2040年に世界の太陽光発電累積導入量推定が1TWを越えると見込まれているが,これには108トン以上にも及ぶ高純度シリコンが必要となる。

太陽電池にも用いられる純度の高い半導体級シリコンを作製するシーメンス法は,三塩化ケイ素(SiHCl3)を原料として水素ガスによる還元反応を利用してSiを生成する。しかし,シーメンス法が行われる大気圧,1200°Cの環境下では,原料であるSiHCl3の熱分解が優先的に起こり,副生成物として化学的に安定な四塩化ケイ素(SiCl4)が発生する。そのために,Si生成収率が25%と工業化学プロセスとして非常に低いことが課題となっている。

研究グループは,水素ラジカルを用いればSiCl4を生成させることなくSiを生成できること,また,化学的に安定なSiCl4からもSiを生成できることを熱力学的に予測してきた。しかしながら,反応性の高い水素ラジカルを大気圧で発生させ,その効果を検証する研究はなかった。

今回,タングステン熱フィラメントによって大気圧以上で水素ラジカルを発生させて,圧力差を利用して水素ラジカルを別の反応炉に輸送する装置を開発することで,反応性が高いにも関わらず,水素ラジカルは長寿命で大気圧でも数10cmの距離を輸送できることを確認した。

この装置を用いて水素ラジカルによるシーメンス法の副生成物であるSiCl4の還元反応(Si生成)を行なったところ,より低温で大気圧でもSiをより効率的(現時点では15%)に生成することに成功したという。

この成果により,大量のSi材料を低コストで生産するためにも,Si収率の向上が見込める水素ラジカル発生装置の実用化が期待される。研究グループは今後,シーメンス炉に水素ラジカルを直接導入するだけなく,廃棄ガス処理プロセスに水素ラジカルを導入するなど,Si収率向上に向けたプロセスの開発を目指していくとしている。

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