ケイ素 製法

ケイ素

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/11/10 06:07 UTC 版)

製法

原料

工業用ケイ素の主原料は、SiO2からなる二酸化ケイ素珪石珪砂、シリカとも)である。日本国内の埋蔵量は2億トンあるとされるが、アルミニウムと同様、酸化物から還元するには大量の電力を必要とするため、金属シリコンの状態になってから輸入するのが一般的である。

世界の二酸化ケイ素の埋蔵量はきわめて潤沢であり、高純度のものも世界に広く分布する[12]二酸化ケイ素#埋蔵量を参照。

精製

金属グレード(MG)シリコン
ケイ素の単体はカーボン電極を使用したアーク炉を用いて、二酸化ケイ素を還元して得る。この際、精製されたケイ素は純度99 %程度のものである。
高純度ポリシリコン
さらに純度を高めるには、塩素と反応させ四塩化ケイ素にする。これは揮発性の高い液体なので、これを蒸留して純度を高める。そうして得られた純度の高い四塩化ケイ素を水素ガスと反応させて分解することで金属単体シリコンを得る。
半導体グレード(SEG)シリコン
集積回路に使用する半導体素子用の超高純度のケイ素(純度11N以上)は、上記の高純度シリコンから、さらにFZ(フローティングゾーン)法のゾーンメルティングCz(チョクラルスキー)法の単結晶成長法による析出工程を経ることで製造される。
ゾーンメルト法では、結晶中の不純物が融解帯に掃き出されて濃縮する過程を繰り返すことで、高純度のケイ素を得る。Cz法においては偏析を利用して高純度化するため、原料であるポリシリコン(多結晶珪素)には、非常に純度の高いものが要求される。半導体に利用するには基本的に結晶欠陥(転位)のない単結晶が必要とされ、FZ法(フローティングゾーン)においてもCz法(チョクラルスキー)においても単結晶を回転させながらいったん細くし、転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくすることにより、所定の大きさの結晶を得る。FZ法は大口径化に向かないため、産業用に使用されているシリコンウェーハの大部分はCz法によって製造されている。現在製品化されているシリコンウェーハの径は直径300 mmまでである。なお、半導体メーカー数社によるコンソーシアムG450C」による直径450 mmのシリコンウェハーの開発が現在検討中である。
太陽電池グレード(SOG)シリコン
再生可能エネルギー発電の需要増大が起きる前は、ソーラーパネルの製造および需要事情は、半導体グレード(SEG)ほどの需要に応えられるような超高純度は必要なく、7N程度の純度で済み、また多結晶でも充分目的が果たせられる。このため上記の単結晶シリコンインゴットの端材などが原料に利用されてきた。
しかし、再生エネルギー発電の需要増大にともない、専用の太陽電池グレード(ソーラーグレード)シリコンの生産法が開発されている。手順としては上記の半導体グレード(SEG)の精製工程を簡略化した方法のほか、下記のような手法が用いられる。半導体グレード(SEG)に比べ、使用するエネルギーや製造費用が数分の1以下になるとされる手法が多い(ソーラーグレードシリコンを参照)。
  • 流動床炉(FBR)法:種結晶を気流で巻き上げながら、表面にシリコンを析出させる。
  • 冶金法:金属グレードシリコンから冶金学的手法によって直接ソーラーグレードシリコンを製造する。
  • 水ガラス化法:珪石(SiO2)を水ガラス化した状態で高純度化してから還元する。
  • NEDO溶融精製法:金属グレードシリコンを電子ビームやプラズマで溶融させて特定の不純物を除いたあと、一方向凝固させる。
ソーラーグレードシリコンは2006年(平成18年)ごろには高純度シリコン市場の約半分を占め、今後もその割合は拡大すると見られている[13]。今後はソーラーグレードが高純度シリコン生産量の大部分を占め、半導体級は特殊品になっていくと予測されている[14]。また太陽電池用シリコン原料は2008年(平成20年)までは供給の逼迫で価格が高止まりしていたが、2009年(平成21年)からは価格の低下が予測されている[15]
実験室的製法
しばし授業や趣味の一環で、マグネシウムなどのアルカリ金属を使用したテルミット反応を利用して、金属ケイ素を精製することがある。[16][17]
しかし、この反応でできたケイ素とマグネシウムが反応して、ケイ化マグネシウムが形成されることがある。
この反応は防げないため、純粋なケイ素だけを得るためには塩酸と反応させる必要がある。

注釈

  1. ^ 古代中国語の硅の発音はhuòであることなどから、成 (2012, p. 156) は古代中国語からの転用である説を退けている。
  2. ^ 当初はと呼ばれていたとされ、経緯には諸説ある[5]
  3. ^ 中国において「」が定着したのは、1959年以降であり、それ以前は両漢字名が競い合っていた[6]
  4. ^ 酸素のイオン半径はケイ素の3倍以上であるため、体積においてはケイ素の0.86 %に対して酸素が93.77 %を占める[7]
  5. ^ 「9」(Nine)が15個並ぶことを意味する略称。
  6. ^ インドは男性のビール摂取量が多く、ビールにはケイ素が多く含まれるため数値が高いと考えられている。シリカ#ろ過助剤を参照のこと。

出典

  1. ^ T. Michael Duncan, Jeffrey Allen Reimer, Chemical engineering design and analysis: an introduction, p. 25, Cambridge University Press, 1998 ISBN 0521639565
  2. ^ R. S. Ram et al. “Fourier Transform Emission Spectroscopy of the A2D–X2P Transition of SiH and SiD” J. Mol. Spectr. 190, 341–352 (1998)
  3. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  4. ^ a b c d http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si
  5. ^ a b 成 2012, pp. 155–156.
  6. ^ 成 2012, p. 156.
  7. ^ a b c 酒井 2003, pp. 48–49.
  8. ^ 岸川利郎 (1990). ユーザーエンジニアのための光学入門. オプトロニクス. ISBN 4-900474-30-4 
  9. ^ B. Andreas et al. (2011). “Determination of the Avogadro Constant by Counting the Atoms in a 28Si Crystal”. Physical Review Letters (American Physical Society) 106: 030801. doi:10.1103/PhysRevLett.106.030801. http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.106.030801. 
  10. ^ ユリス・ナルダン フリーク Part.2、WebChronos、2020年2月11日
  11. ^ オリエントスター来し方70年 煌めきのクライマックス、WebChronos、2021年2月5日
  12. ^ SAND AND GRAVEL(INDUSTRIAL), アメリカ地質調査所
  13. ^ Wacker Polysilicon: Expansion Announcement June 2006(Wacker 社による生産量拡大のアナウンス資料)
  14. ^ 河本洋、奥和田久美、高純度シリコン原料技術の開発動向科学技術政策研究所)2016年3月5日時点のアーカイブ。
  15. ^ New Energy Finance Predicts 43% Solar Silicon Price Drop, greentechmedia, 18 August 2008
  16. ^ mad science. オライリー・ジャパン. (5/21). pp. 183,184,185 
  17. ^ 植田和利, 伊東和彦, 上原誠一郎, 佐藤博樹「太陽炉を利用したマグネシウムによる二酸化ケイ素の還元とその教材化」『科学教育研究』第40巻第1号、日本科学教育学会、2016年、 39-45頁、 doi:10.14935/jssej.40.39ISSN 0386-4553NAID 130005144680
  18. ^ a b c d e “SILICON AND BONE HEALTH”. The journal of nutrition, health & aging 11 (2). (2007). PMID 17435952. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2658806/. 
  19. ^ John Emsley (2011). Nature’s Building blocks (New Edition ed.). Oxford University Press. p. 482. ISBN 978-0-19-960563-7 
  20. ^ “A provisional database for the silicon content of foods in the United Kingdom”. British Journal of Nutrition 94. (2005). doi:10.1079/BJN20051542. PMID 16277785. 
  21. ^ ケイ素、ケイ素化合物 - 「健康食品」の安全性・有効性情報(国立健康・栄養研究所
  22. ^ “Renal silica calculi in an infant”. International Journal of Urology 11 (2). (Feb 2004). doi:10.1111/j.1442-2042.2004.00746.x. PMID 14706018. 





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