世界のテクノロジー業界において、台湾は「シリコンアイランド」として知られています。これは、その強力な半導体製造能力だけでなく、世界の半導体産業チェーンにおける重要な役割からも明らかです。しかし、スマートフォン、AIサーバー、自動運転車といったハイテク機器を動かすコアチップが、実は私たちの足元の砂から生まれたものだと考えたことがあるでしょうか？
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シリコンはどこから来るのか？その答えは私たちの足元の砂の中にある
シリコンは半導体製造の重要な材料ですが、自然界には直接存在しません。二酸化ケイ素（SiO₂）の形で砂の中に広く分布しています。このことからも、「一粒の砂、一つの世界」という詩は、半導体業界において具体的な意味を持つと言えるでしょう。
通常の砂にもシリコンが含まれていますが、現代の技術では極めて高い純度の材料が求められるため、半導体業界では一般的に「石英砂」または「珪砂」と呼ばれる特殊な原料を使用しています。この砂は風化した花崗岩や石英の鉱脈から採取され、シリコン含有量は最大95%にも達します。不純物が非常に少ないだけでなく、その物理的特性は後続の精錬および溶解プロセスにも適しています。
結晶精製：石英砂 → 冶金グレードシリコン → 多結晶シリコン
石英砂に含まれる二酸化ケイ素を実用的なシリコンウェハーに変えるには、3つの精密な工程が必要です。これは、極めて高度な急冷を必要とする最新の「結晶精製技術」です。
- 高温還元
二酸化ケイ素中のケイ素原子と酸素原子は非常に強く結合しているため、そのまま使用することができません。そのため、1800℃以上の電気アーク炉で石英砂を炭素（石炭やおがくずなど）と反応させ、冶金グレードのシリコン（MG-Si）を生成します。還元反応はSiO₂ + 2C → Si + 2CO↑で、純度は98～99%です。この段階は合金や建材などの工業用建材に使用できますが、半導体に必要な高純度には程遠いものです。 - シーメンス化学精製
99%以上の純度をさらに得るためには、MG-Siを塩素化処理してトリクロロシラン（SiHCl₃）に変換する必要があります。その後、シーメンス法（化学気相成長法、CVDとも呼ばれます）を用いて、密閉されたベル型の反応炉内でトリクロロシランを約1,100℃に加熱し、気化させます。高温環境下での還元反応により、ガス中からシリコン元素が放出され、加熱棒または炉の表面にゆっくりと堆積します。これにより、安定した結晶構造を持ち、不純物が極めて少ない高純度多結晶シリコンが徐々に形成されます。このプロセスにより、11Nレベル（純度最大99.999999999%）まで到達可能です。この技術は、1950年代にシーメンスとワッカーによって開発され、現在では世界の電子グレード多結晶シリコン市場シェアの75〜90％以上を占めており、黒砂糖を超クリーンな白砂糖に精製するのと同じように、電子グレードの純度は最大10N〜11N（99.9999999999％）に達します。
次のステップは、多結晶シリコンを単結晶シリコンウェハーに変換する第 3 のプロセスであるチョクラルスキー法に進むことです。
チョクラルスキー法：多結晶シリコン→単結晶シリコン棒
極めて高純度の多結晶シリコンは、まだ道半ばです。高純度ではあるものの、多結晶シリコンの外観は不規則で、内部構造も整っていません。チップ材料として使用可能な単結晶シリコンにするには、再度加工する必要があります。この重要な工程はチョクラルスキー法と呼ばれます。
チョクラルスキー法（別名「チョクラルスキー法」）は、1916年にポーランドの科学者ヤン・チョクラルスキーによって発明されました。1950年代に半導体製造に応用され、現在でも主流の単結晶シリコン成長方法です。
まず、高純度多結晶シリコンを完全に溶融するまで加熱し、耐熱性石英るつぼに流し込みます。次に、単結晶シリコン製の「種棒」を溶融シリコン液に垂直に浸し、引き上げ速度と回転速度を精密に制御します。
このプロセスでは、溶融液中のシリコン原子が種結晶の配列に従って層ごとに結晶化し、結晶粒界のない完全な構造を持つ単結晶シリコン棒へと成長します。このシリコン棒は直径最大30センチメートル、長さは1メートルを超えることもあり、まるでシリコンでできた「絵の具で描いたキャンディ」のようです。完成した単結晶シリコン棒は、紙のように薄いシリコンウェハーへ（wafer）と切断されます。それぞれのウェハーは、チップ製造の出発点であり、スマートデバイスやハイエンドコンピューティングの基礎材料となります。
ウエハーの裏側：AIとデジタルの世界全体をサポート
一見取るに足らない砂粒から始まり、化学還元、ガス精製、高温結晶化などの工程を経て、最終的に数十億個のトランジスタを内蔵したシリコンウエハーが完成します。これらのウエハーは、スマートデバイス、サーバー、自動運転車といった重要なハードウェアの中核を成すだけでなく、台湾の技術競争力の基盤でもあります。
製造工程の一つ一つは、科学的な精度だけでなく、国の産業チェーン統合能力のレベルも表しています。台湾は、設計、製造、パッケージング、そしてアプリケーションの統合において確固たる地位を築くことができる数少ない国の一つであり、「シリコンアイランド」の名にふさわしい存在です。
持続可能な課題と将来の変革
世界的なネットゼロエミッション削減目標の下、従来のシーメンス法の高いエネルギー消費量と排出量が疑問視されています。溶融塩電解などの新興技術は、技術的なボトルネックを突破し、結晶シリコンの純度を4～5Nまで高めることができる可能性があります。同時に、エネルギー消費量は90%削減され、副産物は酸素であるため、環境に優しい代替手段となります。
さらに、高速増殖炉（FBR）、ゾーン精錬（zone refining）、連続製錬などの方法が実験されており、今後、半導体や太陽電池の材料分野でさらなるエネルギー効率と環境改善効果をもたらすことが期待されています。
シリコンロードは台湾ロードでもある
AI、5G、高性能コンピューティングの急速な発展に伴い、高品質シリコンウエハーの世界的な需要は高まり続けています。台湾は長年にわたり、そのサプライチェーンの中核を担ってきました。砂からシリコンウエハーに至るまでのこの道のりは、物質変換の旅であるだけでなく、台湾の技術力の最高の象徴でもあります。
「砂粒は世界」ということわざにあるように、砂粒一つ一つには無限の可能性が秘められ、一枚一枚のウエハースは世界を変える物語を体現しています。小さなものから壮大なスケールを築き上げるこのテクノロジーの冒険において、台湾はまさに花開くシリコンアイランドです。
（最初の写真の出典:Getty Images/iStockphoto)
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