JP2000191303A - 水素製造装置および水素製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置製造工程において多量に発生する
シリコン屑を利用して、純度の高い水素を低コストで製
造できる装置を提供する。 【解決手段】 半導体装置製造ラインに並設される水素
製造装置。アルカリ液とシリコンとの混合により水素発
生反応を行うための反応槽と、該反応槽へ前記ラインか
ら発生するシリコン屑を集めて原材料として供給するシ
リコン供給手段と、反応槽へアルカリ液を供給するアル
カリ液供給手段と、反応槽の内圧を調整する圧力調整手
段と、アルカリ液を所定温度に調整する温度調整手段
と、反応槽内で発生した水素ガスを槽外へ回収する水素
回収手段と、を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンを原料と
する水素の製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】我が国に消費されている水素の大半は、
石油や天然ガスから、水蒸気改質法や部分酸化法によっ
て得られたものが、アンモニア合成やメタノール製造用
としてコンビナート内で自家消費されている。しかし、
これらの水素は純度が低いため、外販用の水素には、水
の電気分解や食塩電解の副性水素や、石油精製プロセス
からの副性水素を工業用に精製したものが利用されてい
るのが現状である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の方法で得られる水素は、製造に大きなエネル
ギーを必要とし、コスト高である。例えば、石油コンビ
ナート内部において利用されている不純水素で２５〜４
０円／ｍ^３ といわれているが、高圧ボンベに詰められ
た状態では、普通の水素（純度９９．９９％）で３５０
円／ｍ^３ 、高純度水素（９９．９９９９９％）で１７
００円／ｍ^３ 以上の高価格となっている。そこで、純
度の高い水素を低コストで得られる製造方法が望まれて
いる。

【０００４】一方、ケイ素をアルカリ液に入れて加熱す
ると水素が発生することは以前から知られている事実で
あるが、半導体装置の製造分野において、水素源となり
得るシリコンが多量に廃棄されている事実もある。

【０００５】現在、各種半導体装置の基板材料としてシ
リコンウエハが使用されている。例えば、ＩＣ用のシリ
コンウエハ基板は、溶融シリコンから結晶成長によって
最終ウエハ直径より若干大きい径まで育成されて得られ
た円柱状のシリコンインゴットから、まず単結晶端面を
切断し、円筒研削等による直径成形を行った後、オリエ
ンテーション・フラット加工あるいはノッチ加工などの
粗加工を行い、所定の厚さにスライスした後、ベベリン
グ加工、ラッピング加工、エッチング加工、ミラーポリ
ッシング加工等の精密な仕上げ加工が行われて得られ
る。その後、エピタキシャル成長膜の形成等の処理工程
を経て回路形成工程へ供給され、これらシリコンウエハ
加工工程の後、組立、封止等の実装工程によって製品化
されるのが一般的である。このようなＩＣを含む各種半
導体装置の製造工程においては、特にシリコンウエハ加
工工程の各過程において、多量のシリコン屑が発生して
いる。

【０００６】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、半導
体装置製造ラインにおいて多量に発生するシリコン屑を
利用して、純度の高い水素を低コストで製造できる装置
を提供することにある。また、本発明は、半導体装置製
造ラインからの廃棄物を活用した水素製造方法の提供を
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る水素製造装置は、半導
体装置製造ラインに並設され、アルカリ液とシリコンと
の混合により水素発生反応を行うための反応槽と、該反
応槽へ前記ラインから発生するシリコン屑を集めて原材
料として供給するシリコン供給手段と、反応槽へアルカ
リ液を供給するアルカリ液供給手段と、反応槽の内圧を
調整する圧力調整手段と、アルカリ液を所定温度に調整
する温度調整手段と、反応槽内で発生した水素ガスを槽
外へ回収する水素回収手段と、を備えたものである。

【０００８】また、請求項２に記載の発明に係る水素製
造装置は、請求項１に記載の水素製造装置において、前
記シリコン供給手段は、シリコン屑を反応槽供給前に予
め定められた粒径まで粉砕するシリコン屑粉砕手段を有
するものである。

【０００９】さらに、請求項３に記載の発明に係る水素
製造装置は、請求項１に記載の水素製造装置において、
前記アルカリ液供給手段は、前記半導体装置製造ライン
から回収されるアルカリ廃液を前記反応槽へ供給する手
段を有するものである。

【００１０】また、請求項４に記載の発明に係る水素製
造装置は、請求項１に記載の水素製造装置において、前
記反応槽内の反応液のｐＨを調整するｐＨ調整手段をさ
らに設けたものである。

【００１１】また、請求項５に記載の発明に係る水素製
造方法は、半導体装置製造ラインより発生するシリコン
屑とアルカリ廃液とを混合して水素生成反応を生じさせ
ると共に、該水素生成反応を前記ラインからの廃熱を用
いて加熱促進するものである。

【００１２】本発明においては、半導体装置製造ライン
に並設される水素製造装置であり、反応槽内へ、シリコ
ン供給手段を介して前記ラインから集められたシリコン
屑を供給し、アルカリ液供給手段を介してアルカリ液を
供給し、圧力調整手段によって密閉状態にすると共に、
温度調整手段によって所定温度に加温された反応槽内
で、前記シリコンとアルカリ液とから発生した水素ガス
を回収手段によって回収するものである。

【００１３】このように、本発明は、半導体装置製造ラ
イン、特にシリコンウエハ加工工程において発生するシ
リコン屑を原材料とした廃物利用で、アルカリ液との混
合で進む以下の反応：Ｓｉ＋２ＯＨ⁻＋Ｈ_２Ｏ→ＳｉＯ
_３ ^２−＋２Ｈ_２，によって水素が得られるものであるた
め、廃棄物利用で原材料費を必要としないで高純度の水
素を低コストで製造することができる。

【００１４】これは、半導体装置製造工程にとっても、
従来別に必要であった廃液処理のための手間や費用が省
けるため、ウエハの製造コストの低減にも寄与し、各種
用途用のシリコンウエハを安価に提供できる。例えば太
陽電池用シリコンウエハの製造工程など、本発明の水素
製造装置で得られた水素を内部利用すれば、シリコン屑
の廃棄物処理も兼ねてウエハを低コストで製造できる。

【００１５】なお、半導体装置製造ラインは、シリコン
ウエハ加工工程部分でさえ非常に大きなものであるた
め、本発明のシリコン供給手段は、前記ラインのうち、
専ら特定の加工工程、例えば多量のシリコン粉末が発生
するスライシング工程を供給源対象とすることが簡便で
ある。もちろん設備設計上可能であれば、シリコン供給
手段を複数の加工工程を対象としたものにしても良い。

【００１６】また、半導体装置製造ラインからアルカリ
廃液が得られる場合、これを水素生成反応用のアルカリ
液として利用することによって更なる水素製造および半
導体装置製造の低コスト化が実現できる。

【００１７】アルカリ廃液としては、例えば、シリコン
ウエハ加工工程のうち、スライス、ラッピング後のウエ
ハの加工歪層や不純物等を除去するための化学的表面処
理（エッチング）にアルカリエッチングを行う場合や、
仕上げ工程のミラーポリッシング（鏡面研磨）の研磨剤
をアルカリ液で調合する場合、また、研磨後のウエハ最
終洗浄工程である高精度ウエット洗浄プロセスでアルカ
リ洗浄液を用いる場合、さらには回路形成工程でのウエ
ットエッチング工程等、各種工程で生じる使用済みアル
カリ液が利用可能である。

【００１８】そこで、このようなアルカリ廃液を利用す
る場合は、本発明におけるアルカリ液供給手段に、これ
らシリコンウエハ加工ラインからのアルカリ廃液を回収
して、廃液中の余計な油分や砥粒剤等を分離してから反
応槽へ供給する手段をさらに設けておけば良い。

【００１９】なお、ケイ素源であるシリコン屑が小さい
ほど反応速度が大きくなり、より効率的に水素が得られ
ることは言うまでもない。しかし、シリコンウエハ加工
ラインの各工程によってシリコン屑の大きさも様々であ
り、粉末とは言えない比較的大きなシリコン塊が発生す
る事もある。

【００２０】従って、このような大きなシリコン屑の供
給の可能性がある場合は、シリコン供給手段に、シリコ
ン屑を所定粒径まで粉砕して小さくする手段を設けてお
くことが望ましい。好ましい粒径としては、数十〜数百
μｍ程度のサイズが安定した水素生成が得られるが、過
剰な粉砕は多量のエネルギー消費を招いてコスト高とな
ると同時に、粉砕過程でシリコン粒体表面の酸化が進む
ため避けなければならない。

【００２１】従って、粉砕手段を設ける場合は、主に供
給されるシリコン屑の最大粒径と、水素製造工程全体に
対する粉砕に必要なエネルギー等のコストの影響の許容
範囲に応じて、適宜粉砕程度を決定すればよい。

【００２２】また、水素生成速度はｐＨに正相関してお
り、ｐＨが高いほど高効率で水素が生成される。そこ
で、アルカリ液はｐＨ１０以上が好ましく、反応の間中
この高ｐＨが維持されることが望ましい。しかし、反応
が進むに伴ってｐＨは下がり、反応速度が低下してしま
うので、本水素製造装置に所定ｐＨを良好に維持できる
ｐＨ調整手段を設けておくことが好ましい。

【００２３】このｐＨ調整手段は、アルカリ廃液を用い
る際にも有効であり、廃液ｐＨが低くなっている場合に
は反応槽へ導入する前に好ましいｐＨに調整しておくこ
とができる。

【００２４】ｐＨ調整手段としては、炭酸ナトリウムや
水酸化ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ塩を添加
する機構を用いるのが簡便である。なお、特に炭酸ナト
リウム等は、電離度が小さいことから緩衝作用を有し、
一定のｐＨを保持させる際には有効である。

【００２５】また、水素生成反応は、常温でもわずかな
がら進めることはできるが反応促進のためには、反応条
件として液温が高いほど望ましく、実質的に効率的な水
素生成を行うには、５０℃以上が好ましい。本発明にお
ける温度調整手段は、反応槽内のアルカリ液を加熱し、
所定温度を維持できるものでよいが、さらに、反応槽へ
の供給前に予め加熱する機構を更に備えたものでも良
い。

【００２６】また、上記の如く、水素生成反応の実質的
に効率的な５０℃以上という温度条件は、工場廃熱から
容易に得られる程度のものであるため、本発明の温度調
整手段に、シリコンウエハ加工ラインの工場廃熱を利用
すれば、加熱に必要なエネルギー費用を省けるため、水
素製造工程の更なるコスト低減が期待できる。

【００２７】なお、本発明における反応槽は、バッチ式
用に限らず、連続反応工程に応じた構成としても良い。
また撹拌手段は必ずしも必要ではないが、反応促進の上
で撹拌手段を設けておくことが好ましい。

【００２８】また、本発明における水素製造方法は、半
導体装置製造ラインの廃棄物であるシリコン屑とアルカ
リ廃液と工場廃熱を用いて水素を製造するものであるた
め、廃棄物処理と同時に有用な水素を得ることができ、
半導体装置製造ラインのコスト低減を可能とする。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態として、太
陽電池用シリコンウエハ（アモルファス）加工ライン
の、スライス工程で発生したシリコン屑をケイ素源と
し、加温可能なオートクレーブからなる反応槽を中心に
図１のブロック図に示すように構成された水素製造装置
での水素生成工程を以下に示す。

【００３０】本装置は、ウエハ加工工程からのシリコン
屑をシリコン供給路２を介して反応槽１内へ導入するも
のであり、得られるシリコン屑の粒径が大きく破砕が必
要な場合は、シリコン供給路２の途中に破砕装置１０を
設けてシリコン屑を所定粒径にまで破砕する。

【００３１】また、アルカリ液はアルカリ液供給路３を
介して反応槽１内へ導入されるが、槽内導入前にアルカ
リ液調整部４でｐＨが調整される。このアルカリ液調整
部４には、アルカリ塩添加機構５が設けられており、該
機構によって炭酸ナトリウム等のアルカリ塩が添加され
ることによってｐＨが補強される。また、アルカリ液と
してシリコンウエハ加工工程からの廃液を用いる場合を
考慮し、油分等を除去するための分離装置１１を備えて
おくと良い。

【００３２】反応槽１は、反応生成後の水素ガスを槽外
へ回収する回収部６に連通されており、また、下方で反
応終了後の廃液を回収するドレンに連通されている。本
装置では、水素生成状況を把握するため、圧力計で反応
槽１内の圧力変化を読みとるものとした。

【００３３】なお、本実施形態においては、シリコン屑
を予め粒径数十〜数百μｍに乳鉢で粗粉砕したものを供
給した。また、アルカリ液にソニックフェロー株式会社
製の洗浄剤ＳＥ−10を１０倍希釈したもの（ｐＨ１１）
を使用し、アルカリ塩添加機構５においてはアルカリ補
強剤として炭酸ナトリウムを用いるものとした。

【００３４】以上の構成を持つ本水素製造装置におい
て、２００ｃｃの内容積の反応槽１内にアルカリ液１０
０ｍＬを導入し、シリコン屑粉末５ｇを加え、炭酸ナト
リウム５ｇを添加し、反応液を８０℃に加温し、撹拌な
しの条件下で約５０時間水素生成反応を続けた。なお、
本装置を、反応液の加熱に必要なエネルギー源としてシ
リコンウエハ製造工程からの廃熱を利用する構成として
も良い。

【００３５】反応開始から反応槽１内の圧力変化を経時
的に読みとり、水素生成速度を試算した。その結果を図
２の線図に示す。なお、反応槽１内に貯まったガスは、
圧力変化を読みとった後、ガスフィルタを介して回収し
た。回収したガスはガスクロマトグラフィーによって水
素濃度を測定したところ、計算値と一致することが確認
された。

【００３６】図２の結果から明らかなように、水素生成
速度は、反応開始から１時間以内に最大値を示してお
り、その後徐々に下降していくものの、４０時間に亘っ
てシリコン屑１ｇあたり１０^−４〜１０^−３ mol／hr
の安定した生成量を示し、最終的にのべ約３リットルの
水素ガスが回収できた。これは、ケイ素５ｇから当反応
にて得られる水素ガスの理論量である８リットルの３８
％に相当する。反応はさらに継続するが、以降は反応効
率が低下していく。さらに安定した水素生成量を得るに
は、ケイ素源であるシリコン屑の追加、またはアルカリ
液の更新が必要である。

【００３７】以上の実施形態における水素生成量を、太
陽電池用シリコンインゴット１本あたりのスライス工程
で発生して廃棄されている約２割の切断粉で試算する
と、インゴット１本が４０ｋｇで、切断粉を全て回収し
たとすると、約８ｋｇのケイ素粉末が利用できることに
なるので、この粉末を原料として本装置による生成反応
では約４．８ｍ^３ の水素が得られることになる。

【００３８】この結果は、水素７ｍ^３ ボンベ１本の約
２／３に相当し、また通常の純度９９．９９％の水素価
格３５０円／ｍ^３ に基づくと、販売価格１６８０円分
の水素が得られたことになる。

【００３９】このように、本水素製造装置によれば、複
雑な設備を必要とせず、簡単な構成ながらも、従来は廃
棄物であったシリコン屑から水素を容易に且つ効率的に
生成することができるため、原材料費を必要とせず、安
価な高純度水素の提供が実現可能となると同時に、シリ
コンウエハ製造工程からみても、廃棄物処理のためのコ
ストが削減できるため、ウエハ製造工程の低コスト化が
期待できる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
低コストで高純度の水素を簡便に製造することができ、
安価な水素の提供が可能となる。また、半導体製造工程
からみても廃棄物処理という従来から手間や経費のかか
る工程が水素という別製品の製造工程へ転化できるた
め、その分の経費が削減でき、半導体装置そのものの低
コスト化も実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態としての水素製造装置の
概略構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示した水素製造装置による水素生成反応
中の水素生成速度変化を経時的に表した線図であり、横
軸の反応経過時間（時間）に対して、縦軸に水素生成速
度（ mol／h・g ）を示したものである。

【符号の説明】

１：反応槽 ２：シリコン供給路 ３：アルカリ液供給路 ４：アルカリ液調整部 ５：アルカリ塩添加機構 ６：ガス回収部 １０：粉砕装置 １１：分離装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高沢 義昭 富山県魚津市本江2410 株式会社スギノマ シン内 (72)発明者 清水 多可美 富山県魚津市本江2410 株式会社スギノマ シン内 Ｆターム(参考） 4D004 AA16 AC05 BA03 BA10 CA36 CA37 CB02 CB05 CB13 CB31 CB36 CB41 CC12 DA02 DA20

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置製造ラインに並設され、 アルカリ液とシリコンとの混合により水素発生反応を行
   うための反応槽と、該反応槽へ前記ラインから発生する
   シリコン屑を集めて原材料として供給するシリコン供給
   手段と、反応槽へアルカリ液を供給するアルカリ液供給
   手段と、反応槽の内圧を調整する圧力調整手段と、アル
   カリ液を所定温度に調整する温度調整手段と、反応槽内
   で発生した水素ガスを槽外へ回収する水素回収手段と、
   を備えたことを特徴とする水素製造装置。
2. 【請求項２】 前記シリコン供給手段は、シリコン屑を
   反応槽供給前に予め定められた粒径まで粉砕するシリコ
   ン屑粉砕手段を有することを特徴とする請求項１に記載
   の水素製造装置。
3. 【請求項３】 前記アルカリ液供給手段は、前記半導体
   装置製造ラインから回収されるアルカリ廃液を前記反応
   槽へ供給する手段を有することを特徴とする請求項１に
   記載の水素製造装置。
4. 【請求項４】 前記反応槽内の反応液のｐＨを調整する
   ｐＨ調整手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１
   に記載の水素製造装置。
5. 【請求項５】 半導体装置製造ラインより発生するシリ
   コン屑とアルカリ廃液とを混合して水素生成反応を生じ
   させると共に、該水素生成反応を前記ラインからの廃熱
   を用いて加熱促進することを特徴とする水素製造方法。