ケイ素

ケイ素（珪素、硅素、けいそ、羅Silicium、英Silicon）は原子番号14の元素である。元素記号はSi。地球の主要な構成元素のひとつ。半導体部品は非常に重要な用途である。常温、常圧で安定な結晶構造は、ダイヤモンド構造。比重は 2.33、融点 1410 ℃（1420 ℃）、沸点は 2600 ℃（他に 2355 ℃、3280 ℃という実験値あり）。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12 eV のバンドギャップ（実験値）をもつ半導体である。これは非金属であるが、圧力（静水圧）を加えると、βスズ構造に構造相転移する。このβスズ構造のケイ素は金属である。周期表においてすぐ上の元素は炭素だが、その常温常圧での安定相であるグラファイト構造は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。

概要

地殻中に大量に存在するため鉱物の構成要素として重要であり、ケイ酸塩鉱物として大きなグループを形成している。これにはSi-O-Si結合の多様性を反映したさまざまな鉱物が含まれている。しかしながら生物とのかかわりは薄く、知られているのは、放散虫・珪藻・シダ植物・イネ科植物などにおいて二酸化ケイ素のかたちでの骨格への利用に留まる。栄養素としての必要性はあまり判っていない。炭素とケイ素との化学的な類似から、SFなどではケイ素を主要な構成物質とするケイ素生物が想定される事がある。

バンドギャップが常温付近で利用するために適当な大きさであること、ホウ素やリンなどの不純物を微量添加させることにより、p型半導体、n型半導体のいずれにもなることなどから、電子工学上重要な元素である。半導体部品として利用するためには高純度である必要があり、このため精製技術が盛んに研究されてきた。現在、ケイ素は 99.9999999999999% (15N^[1]) まで純度を高められる。また、Si(111)基板はAFMやSTMの標準試料としてよく用いられる。

用途

赤外光学系

ケイ素は赤外域（波長 2 から 6 μm）で高い透過率があり、レンズや窓の素材に用いられる。波長 4 μm の屈折率は 3.4255^[2]。

半導体

最も重要な用途としては、四塩化ケイ素やトリクロロシランなどから作られる高純度ケイ素が半導体作成に用いられることが挙げられる。また、液晶ディスプレイの TFT や太陽電池にはアモルファスシリコンや多結晶シリコンなどが用いられる。砒化ガリウムや窒化ガリウムなどの化合物半導体の基板にシリコンを用いれば大幅な低価格化が可能であり、様々な研究が進められている。

ケイ素含有合金

電気炉における製鉄材料として鉄1トンあたり4キロ前後のケイ素が添加されるほか、ケイ素合金として製鉄の脱酸素剤に用いられる。そのほかに、ケイ素を混ぜた鋼板(ケイ素鋼板)は、うず電流による損失が少なくなるため、変圧器に使われている。アルミニウム工業の分野でもケイ素の合金が使われている。また、鉛レス黄銅にも添加される。

ケイ素含有セラミックス類

ケイ素の酸化物（シリカ）を原料とするガラスは、窓その他で使われるほか、繊維状にしたグラスウールは断熱材や吸音材としても用途がある。ゼオライトは、イオン交換体、吸着剤あるいは、有機化学工業における触媒ともなっている。シリカゲルとしては、非常に利用しやすい乾燥剤になる。

炭化ケイ素は、耐火材や抵抗体として使われたり、高いモース硬度 (9.5) を持つために、研磨剤として使われる。その他のケイ素化合物として、アルミノケイ酸塩が粘土に含まれ、陶器やセメント・煉瓦などセラミックスと呼ばれる材料の主成分になっているほか、カルシウム化合物を除去する働きから、水の精製に使われるなどしている。

ケイ酸塩・ケイ素樹脂

ケイ酸塩は、さまざまな形で地殻上に存在しており、天然に存在するケイ素化合物のほとんどすべてが二酸化ケイ素およびケイ酸塩である。工業的にも広く用いられ、ガラス、陶磁器など、枚挙に暇がない。アスベストは、繊維状のケイ酸塩鉱物であり、その耐薬品性や耐火性から以前は建材などに広く用いられたが、人体への悪影響が問題になったため、使用量は激減している。日本ではアスベストによる健康被害が社会問題となり、労災認定や健康被害を受けた国民に対しての補償問題、また、依然として多く残るアスベストの撤去に対しての問題を抱える。

有機基を有するケイ素二次元および三次元酸化物はシリコーンと呼ばれる。このものは、優れた耐熱性、耐薬品性、低い毒性などの有用な性質を示し、油状のものはワックス、熱媒体、消泡剤などに用いられる。三次元シリコーンはゴム弾性を示し、ゴム状のものはホースやチューブ、樹脂状のものは塗料や絶縁材、接着剤など各種の用途に利用される。

製法

原料

工業用ケイ素の主原料はSiO₂から成る二酸化ケイ素（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。電力の安い国が金属シリコンの供給源となるため、これまで中国、ブラジル、ロシア、南アフリカ、ノルウェーなどが主要な供給国であったが、近年はオーストラリア、マレーシア、ベトナムなども注目されているという。

世界の二酸化ケイ素の埋蔵量は極めて潤沢であり、高純度のものも世界に広く分布する^[3]。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。

SiO₂ + C → Si + CO₂

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

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とし（ガス化）、これを蒸留して純度の高い製品を得る。

Si + 2Cl₂ → SiCl₄

SiCl₄ + 2 H₂ → Si + 4 HCl

半導体グレード(SEG)シリコン

集積回路など半導体素子に使用する超高純度のケイ素(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）法などのゾーンメルティングや Cz（チョクラルスキー）法など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融解帯に不純物が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なので、FZ 法においても Cz 法においても単結晶を回転させながら一旦細くし、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。

太陽電池グレード(SOG)シリコン

太陽電池にはSEGグレードほどの超高純度は必要なく、7N程度の純度で済み、また多結晶でも良い。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が、需要の増大に伴い、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。半導体グレードに比べ、使用するエネルギーやコストが数分の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年頃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^[4]。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^[5]。また太陽電池用シリコン原料は2008年までは供給の逼迫で価格が高止まりしていたが、2009年からは価格の低下が予測されている^[6]。

ケイ素化合物

一酸化ケイ素 (SiO)
二酸化ケイ素 (SiO₂) - 石英など
ケイ酸
窒化ケイ素 (Si₃N₄)
炭化ケイ素 (SiC)
ケイ酸塩（MgSiO₃など）
四塩化ケイ素 (SiCl₄) - 煙幕
シラン (SiH₄)
シリコーン
ケイ素樹脂
環状シロキサン(D3、D4など）
有機ケイ素化合物 - トリメチルシリル基(−Si(CH₃)₃)などを有する有機化合物。保護基や脱離基として有機合成に汎用されている。

同位体

詳細は「ケイ素の同位体」を参照

脚注

^ 「9」(Nine)が15個並ぶことを意味する略称。
^ 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.
^ SAND AND GRAVEL(INDUSTRIAL), アメリカ地質調査所
^ Wacker Polysilicon: Expansion Announcement June 2006（Wacker社による生産量拡大のアナウンス資料）
^ 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)
^ New Energy Finance Predicts 43% Solar Silicon Price Drop, greentechmedia, 18 August 2008

参考文献

SOG製法
- 山田興一・小宮山宏「太陽光発電工学」ISBN　4-8222-8148-5
- 小長井誠「薄膜太陽電池の基礎と応用」ISBN　4-274-94263-5
SEG製法シリコンウェーハ
- 志村史夫「半導体シリコン結晶工学」ISBN　4-621-03876-1

外部リンク

珪素 - 「健康食品」の安全性・有効性情報（国立健康・栄養研究所）

	1	元素の周期表																18
1	H	2											13	14	15	16	17	He
2	Li	Be											B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Uut	Uuq	Uup	Uuh	Uus	Uuo
8	...

			*	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

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