半導体用高純度シリコンの収率の限界を突破

2020-08-07

水素ラジカル発生・輸送装置の開発で15%以上の収率向上が期待

水素ラジカル発生・輸送装置の開発で15%以上の収率向上が期待

2020-08-07 物質・材料研究機構 ,筑波大学

NIMSと筑波大学は、従来は25%が限界といわれていた物質・材料研究機構 ,筑波大学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ました。

概要

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ました。反応性の高い水素ラジカルを大気圧で発生・輸送できる装置を開発し、シリコン製造ラインに導入して副反応物の発生を抑えることで、収率が15%以上向上することが期待されます。今後、コンピューターや太陽電池向けに需要が高まる高純度シリコン生成プロセスの改善や低コスト化が期待されます。
シリコン (Si) はありふれた元素ですが、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ります。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ますが、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ります。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を生成する方法です。しかし、シーメンス法が行われる大気圧、1200℃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) が発生します。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ます。
本研究チームは、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ました。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ありませんでした。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ました。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ました。
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ます。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きます。
本研究は、国立研究開発法人物質・材料研究機構機能性材料研究拠点次世代半導体グループ角谷正友　主席研究員と岡本裕二　研修生 (筑波大学大学院博士課程、現　出光興産株式会社) 、および国立大学法人筑波大学　数理物質系物質工学域　鈴木義和准教授の研究チームによって行われました。本研究の一部は、JSPS特別研究員奨励費 (岡本　「水素ラジカル還元法による高純度シリコンの高効率作製プロセスの開発」DC2) 、JST地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム (サハラを起点とするソーラーブリーダー研究開発　鯉沼秀臣　代表　2010 – 2014) の一環として行われました。
本研究成果は、2020年7月27日に、Science and Technology for Advanced Material誌にてオンライン掲載されました。