Resonac Holdings與日本東北大學研究生院工學研究科從2024年起，便開始了以硅晶圓製程過程中的廢棄物（硅渣）和二氧化碳（CO₂）為原料製造碳化硅（SiC）粉末，用作功率半導體SiC單晶生長原料的基礎研究，目前基礎研究已完成，雙方正式啟動了面向實際應用的全面研究。該技術實用化後，SiC功率半導體不僅可以作為產品節能，在其製造過程中也能實現CO₂減排、硅渣及CO₂的再資源化，從而有望在整個產品周期內降低環境負荷。
硅渣與CO₂的再資源化示意圖（供圖：Resonac Holdings Corporation）
CO₂的減排和有效利用已成為全球性課題。特別是在製造業，減少生產過程中的CO₂排放乃當務之急，同時還需推進廢棄物的再資源化。半導體和太陽能電池板不可或缺的硅晶圓，切割時產生的硅渣作為工業廢棄物被大量廢棄，其再資源化亟待推進。
為此，日本東北大學正在推進CO₂與硅渣反應合成SiC的研究。通過CO₂與固體反應產生的礦物來實現碳循環的技術，可將硅渣與CO₂再資源化，創造出有價值的SiC原料，該技術作為替代傳統高能耗工藝的低環境負荷技術而備受期待。
Resonac正在製造一種在SiC單晶基底層上生長磊晶層的SiC外延晶圓。SiC外延晶圓是用於電動汽車（EV）及功率半導體元件的重要材料。與傳統的硅（Si）晶圓相比，SiC外延晶圓製作的器件在轉換電力時的電力損耗和熱量更少，可貢獻於節能。然而，SiC的合成需要高溫和高電力，降低製造過程中的環境負荷成為一項課題。
為解決此課題，Resonac與日本東北大學於2024年，啟動了將硅渣和CO₂為原料製成的碳化硅（SiC）粉末，用作功率半導體用SiC單晶材料生長原料的基礎研究。東北大學在碳循環實證研究基地，通過微波加熱硅渣與CO₂來合成SiC粉末，Resonac則將該SiC粉末應用於SiC單晶基底層。
由於已經通過基礎研究掌握了晶體特性等，雙方決定正式推進面向應用的全面研究。
據估算，若該技術得以實用化，每100噸SiC粉末的CO₂減排效果將達到110噸當量，有望為推動可實現節能與CO₂減排的SiC功率器件的進一步普及做出重大貢獻。
Resonac器件解決方案事業部SiC統括部技術開發部的保坂祥輝課題負責人表示：「Resonac在製造在SiC單晶基底層上生長磊晶層的SiC外延晶圓方面，實現了世界最高水準的品質。與此同時，近年來，在8英吋大口徑SiC外延晶圓的技術開發方面也取得了成就。此次利用能夠通過CO₂和硅渣製造SiC晶圓的技術，將在供應鏈與降低環境負荷這兩個方面產生重大影響。作為專注SiC外延晶圓的專業製造商，我們多年來積累的技術和知識將在本次合作研究中充分發揮作用，我堅信，合作將使我們更加接近Resonac的使命——‘以化學之力改變社會’更近一步。」
東北大學研究生院工學研究科應用化學專業福島潤助教評論道：「在全球氣候變暖對策與減少廢棄物成為當務之急的背景下，我校研究團隊正在開發將CO₂與硅基工業廢棄物資源化的創新性工藝。其最大特點是能夠以低能耗將穩定氣體CO₂轉化為高純度SiC，有望一舉解決廢棄物問題和溫室氣體減排問題。未來，我們將以在電動汽車及可再生能源領域等廣泛領域實現應用為目標，通過積累實證研究強化產業競爭力，並為實現2050年碳中和與循環經濟提出具體對策。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
