光デバイス／太陽電池

２４．ＳｏＧ－Ｓｉの作り方（その１）

　太陽電池にはトランジスタや集積回路用ほど純度の高くないソーラーグレードシリコン（ＳｏＧ－Ｓｉ）で十分であるということがわかりましたが、このＳｏＧ－Ｓｉを作るにはどのような方法があるかを調べてみます。

　ＳｏＧ－Ｓｉと言えども、６N、７Nですから通常の化学製品としては極めて純度の高いものになります。しかも太陽電池用としては安く大量に生産できる必要があるということでいろいろな方法が研究されてきました。

　そのなかでドイツのシーメンス社が1950年代という早い時期に開発した方法が、その後改良され今も代表的な方法として使われています。この方法は化学反応によりシリコンを析出させるＣＶＤ法のような方法ですが、一般にシーメンス法と呼ばれています。

　シーメンス法に関するもっとも早い時期の特許として、1956年にドイツに出願された「電子技術用の純粋な半導体を得る装置」(1)があります（これが最初という確証はありません）。図２４－１はこの特許に掲載されている装置図です。簡単に説明します。

　Ｓｉを合成するのは容器９の中です。この容器９は石英製の透明鐘体と書かれています。鐘体とは変な言葉ですが、このような鐘を伏せたような気密容器をベルジャーと言うので、その訳でしょう。欧米のベルの形から来ていると思いますが、日本の鐘の方が形としては似ています。

　さてそのベルジャー内に２本の棒１ａ、１ｂが立っていますが、これはＳｉ製の心棒でこの周りにＳｉを付着させます。心棒はＳｉを付着させるためだけなら１本でもよいのですが、この装置ではこのＳｉ棒に電流を流せるようにしています。２本の棒の上端を導体（グラファイト）６で接続し、下端を電源につないでいます。

　これでＳｉ棒に電流を流すとＳｉ棒自身の抵抗によって熱が発生し、Ｓｉ棒が加熱されます。1100℃から1200℃に加熱するとされていますから、相当な高温です。ここで利用される化学反応に必要な温度がこのような高温であるということです。Ｓｉ棒は直径３ｍｍ、長さ50ｃｍと非常に細いものですが、このような1000℃を越える温度にしても変形しないとされています。

　Ｓｉの原料は四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）あるいはトリメチルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）などの液体で、これに水素を通しガスとしてベルジャに導入します。図２４－１では原料の導入経路については省略されていますので、少し後の特許(2)の図面を引用しておきます（図２４－２）。ベルジャー内については図２４－１とまったく同じであることがわかります。

　ボンベ１には水素が入っています。この後に６、11、15といろいろなものが描かれていますが、これらはいずれも水素ガスを純化する仕組みです。ここでは個別に説明することは省略します。液体原料のＳｉＨＣｌ_３は矩形で示された気化器20に入っています。気化器ですから液体原料はここで予め気化され、水素ガスと混合されます。その後、導入管21を通ってベルジャ内にノズル22から噴射されることになります。

　このＳｉの塩素化合物は高温で水素と反応し、Ｓｉが遊離してＳｉ棒に付着します。塩素は水素と反応して塩化水素になり排出されます。

　ところでＳｉの原料は前回も触れたように珪石などＳｉＯ_２を主な成分とする天然の鉱石です。このため不純物を多く含んでいます。この珪石に炭素（コークスなど）を混ぜて高温で焼くと還元反応が起きて、Ｓｉができます。ただしこれは金属グレード（MG－Ｓｉ）で純度はせいぜい９０数％です。

　最初の心棒もそうですが、原料液体のＳｉＣｌ_４やＳｉＨＣｌ_３もこのMG－Ｓｉを使って作ることになります。MG－ＳｉとＨＣｌを高温で反応させます。液体材料は蒸留と同じような原理で精製し純度を上げることができます。またこの塩化物を還元して純度の高い金属を得る方法は冶金技術ではよく用いられる技術です。

　心棒も新たにできたＳｉを使えば純度が上がり、それを繰り返せば純度がさらに上がっていきます。液体原料も同様にして純度の高いＳｉを原料にして作り、精製することによって純度が向上します。このような繰り返しで、６Ｎ、７Ｎの多結晶Ｓｉの棒が作られます。これがシーメンス法です。

　シーメンス社ではこのＳｉ棒を使ってＦＺ法を開発し、超高純度Ｓｉ（１１Ｎ）を作ることに成功しました。ＳｏＧ－Ｓｉはその前段階でできるもので、太陽電池にはこれを直接用いることができます。

(1)特公昭35-2982号

(2)特公昭37-12101号