レゾナックと東北大、廃棄シリコンとCO2からSiCパワー半導体材料を作る技術の共同研究

SiCパワーデバイスによる省エネルギー化に加えて、製造工程でのCO₂排出削減やシリコンスラッジ、CO₂の再資源化が実現

　レゾナックと国立大学法人東北大学大学院工学研究科（以下、東北大学）は、シリコンウェハーの製造過程で発生する廃棄物（シリコンスラッジ）と二酸化炭素（CO₂）を原料とした炭化ケイ素（SiC）粉末を、パワー半導体に用いるSiC単結晶材料の成長用原料として応用するため、2024年から行っている基礎検討を完了し、応用に向けた本格検討を開始した。本技術が実用化すれば、SiCパワー半導体は、製品として省エネルギー化に貢献するだけでなく、製造工程においても、CO₂排出削減、シリコンスラッジおよびCO₂の再資源化が実現し、ライフサイクル全体で環境負荷を低減することが可能になる。

　昨今、自然災害など気候変動が与える影響は益々深刻化しており、各国が温室効果ガス排出規制を強化するなど、CO₂の削除や有効活用は世界的な課題となっている。特に、製造業においては生産過程でのCO₂排出削減が急務である一方、廃棄物の再資源化も強く求められている。なかでも、半導体や太陽光発電パネルに不可欠なシリコンウェハーは、切り出しの際に生じるシリコンスラッジが産業廃棄物として大量に廃棄され、その再資源化が求められていた。

　こうした課題に対し、東北大学はCO₂をシリコンスラッジと反応させてSiCを合成する研究を進めている。本技術は、CO₂を固体と反応させる「鉱物化」によるカーボンリサイクル技術を応用することで、シリコンスラッジとCO₂を再資源化し、有価なSiC原料を創出するもので、従来の高エネルギー消費型プロセスに替わる低環境負荷技術として期待されている。

　レゾナックは、SiC単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させたSiCエピタキシャルウェハー（SiCエピウェハー）を製造している。SiCエピウェハーは、電動車（xEV）や産業機器などに用いられるパワー半導体デバイスの重要な材料で、従来のシリコン（Si）ウェハーと比較して、電力変換時の電力損失や熱の発生が少なく、省エネルギー化にも寄与する。しかし、SiCの合成には、高温・高電力を要し、製造工程における環境負荷の低減が課題となっていた。

　この課題を解決するため、レゾナックと東北大学はシリコンスラッジとCO₂を原料としたSiC粉末を、パワー半導体に用いるSiC単結晶の成長用原料として応用するための基礎研究を2024年に開始した。本研究において、東北大学は、カーボンリサイクル実証研究拠点にてシリコンスラッジとCO₂をマイクロ波で加熱することによりSiC粉末を合成し、レゾナックはそのSiC粉末をSiC単結晶基板へと応用展開する。今回、本研究によって得られた結晶の特性把握など基礎検討が完了、引き続き、応用に向けた本格検討を進める。

　本技術が実用化すれば、SiC粉末100トンあたりのCO₂削減効果が110トン相当に達するとみられ、省エネルギー化およびCO₂削減を可能とするSiCパワーデバイスの一層の普及推進に大きく寄与することが期待される。両者は東北大学の持つ「鉱物化」技術により作成されたSiC粉末を、レゾナックの“ベスト・イン・クラス”SiCエピウェハーへ応用することで、パワー半導体のライフサイクルを通した環境負荷低減を実現し、持続可能なグローバル社会に貢献するとしている。

　レゾナックデバイスソリューション事業部 SiC統括部の保坂祥輝技術開発部テーマリーダーは「レゾナックは、SiC単結晶基板にエピタキシャル層を成長させた「SiCエピウェハー」の生産において、世界最高水準の品質を実現^（*1）するとともに、近年では、8インチの大口径SiCエピウェハーの技術開発にも成功しています^（*2）。CO₂とシリコンスラッジからSiCウェハーを造ることを可能にするこの技術は、サプライチェーンと環境負荷低減の両面から大きなインパクトがあります。SiCエピウェハー専業メーカーとして長年培ってきた技術や知見を、この共同研究に生かすことで、レゾナックのパーパスである「化学の力で社会を変える」ことに一歩近づくことができると確信しています」とコメントした。

　また、東北大学大学院工学研究科応用化学専攻の福島潤助教は「世界的な温暖化対策と廃棄物削減が急務となる中、本学研究グループでは、CO₂とシリコン系産業廃棄物を資源化する革新的プロセスを開発しています。安定気体のCO₂を低エネルギーで高純度SiCに変換できる点が最大の特長で、廃棄物問題と温室効果ガス削減を一挙に解決すると期待されます。将来的には電気自動車や再生可能エネルギー領域など、幅広い分野での活用をめざし、実証を積み重ねることで産業競争力の強化につなげ、2050年カーボンニュートラルとサーキュラーエコノミーの実現へ向けた具体策を提示してまいります」と述べている。

*1 2022年3月28日レゾナック「SiCパワー半導体向け6インチ単結晶基板の量産を開始」
*2 2022年9月7日レゾナック「200mm SiCエピウェハーのサンプル出荷を開始」