半導体デバイスがもたらす環境破壊と問題　海外と日本はどのように取り組んでいるのか

半導体デバイスは産業において不可欠なインフラです。

製造業に限らずサービス業や一般家庭なども半導体デバイスの恩恵を受けています。

その一方で、無機半導体を材料とした半導体デバイスは、毒性のある無機化合物を含んだ廃棄物や、半導体デバイスの製造に必要な大量の電力といった問題を抱えています。

そこで、半導体製造において環境負荷を低減するには何が必要なのかについて、海外と日本の取り組みを比較しつつ、半導体材料と半導体デバイスを製造する半導体製造装置という両面から検討していきます。

半導体とは何か

「半導体」という用語は2つの意味で用いられています。

1つめは、材料としての「半導体」です。
電気を通さない「絶縁体」と、電気抵抗のない「導体」の中間的な位置にあるのが「半導体」です。
つまり、ある条件のもとで電気を通す物質が半導体です*1。

2つめは、電子機器の構成要素であるデバイスとしての「半導体」です。
先述のような電気を通したり通さなかったりする性質を利用し、電子回路を作ることで、さまざまな電子機器へと応用が可能になります*2。

半導体は「微細化」と呼ばれる小型化により、高性能かつ小さなデバイスの実現を可能にしました。
微細化した半導体によって、スマートフォンのように小型のデバイスでもPC同様の機能をもたせることが可能になりました。

半導体は、AIやIoT、5GといったICT（情報通信技術）のインフラを支えているといっても過言ではありません。
こうした半導体の社会貢献については皆さんも納得のいくところでしょう。

その一方で、環境問題に照らし合わせたときに、半導体に問題がないわけではありません。

その1つが半導体の材料です。

半導体は「レアメタル」や鉛など、その多くが無機材料から作られています（表1）。

表1：元素周期表（赤色で示された元素がレアメタル）
＊出典：資源エネルギー庁HP「世界の産業を支える鉱物資源について知ろう」
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/tokushu/anzenhosho/koubutsusigen.html

たとえば、半導体材料として用いられるレアメタルに、ガリウムやタンタルなどがあります（図2）。

図2：レアメタルの用途
＊出典：外務省HP「金属鉱物資源をめぐる外交的取組」
https://www.mofa.go.jp/mofaj/press/pr/wakaru/topics/vol69/index.html

こうした無機材料を半導体材料として利用することは時として、生物に対して有害に作用することがあります。

たとえば、金属同士を接合したり、電子回路で電子部品とプリント基板を固定する”はんだ付け”に利用される半田などに含まれる鉛。

半導体デバイスの製造にも使用される鉛は毒性をもち、体内に取り込まれると貧血や中枢神経へのダメージが懸念されています*3。

また磁性半導体の材料*4でもあるレアアース（希土類元素）は、鉱石から抽出する際にNORM（自然起源放射性物質）を含む廃棄物を発生させます（図3）。

半導体に限らず、レアアースへの依存はこうした環境への負荷と隣り合わせだといえるでしょう。

図3：レアアース鉱石が含む放射性核種の量
＊出典：量子科学技術研究開発機構HP
https://www.nirs.qst.go.jp/db/anzendb/NORMDB/norm_detail.php?norm=ore&en_normname=%A5%EC%A5%A2%A5%A2%A1%BC%A5%B9%B9%DB#kekka

半導体デバイスを製造するプロセスでも、環境にやさしくないプロセスが含まれています。

たとえば、基盤からゴミを取り除く「洗浄」工程が挙げられます（図4）。

図4：半導体製造プロセス
＊出典：東京エレクトロンHP「半導体製造プロセス」
https://www.tel.co.jp/product/manufacturing-process/

この際に、不純物のない純水や薬液が使用されることがあります*5。
薬液としては有毒性の高いフッ酸が使用される*6ため、洗浄後に生成される汚水の処理や処理後の放流には十分な注意が必要です。

半導体の製造プロセスで一番問題視されるのが、全フッ素化合物（以下、PFC）の排出です*7。
PFCはシリコンウェーハのエッチング（図4）や成膜装置のチャンバのクリーニング*8に使用されますが、温室効果ガスでもあります。
地球温暖化という観点からもPFCの使用は問題視され、後述するように京都議定書などで排出量の削減が取り決められました*9。

半導体の製造プロセスのほかに、半導体デバイスを使用する観点からも環境への配慮が必要です。
半導体デバイスから構成される電子機器は電力を消費します。
自然エネルギーの占める割合が高くなったとはいえ、石炭や石油などの化石燃料を利用した火力発電は二酸化炭素排出量を増大させます。

廃棄物の問題もあります。

先述のように無機材料から構成される半導体デバイスの処理は、基本的には埋立などへの廃棄です。
しかし、鉛など有害な物質が土壌に残るため、適切な廃棄が必要です。

このように、半導体は不可欠なインフラを築き上げる道具である一方、環境問題を引き起こすというジレンマを抱えているのです。

半導体がもたらす環境問題に対する海外の施策

半導体がもたらす環境問題対策としていち早く目をつけられたのが、先述のPFCです。
1997年に採択された京都議定書のなかで、温室効果ガスの排出削減目標が国ごとに定められました（図5）。

図5：京都会議で決められた主要国の温室効果ガス排出削減目標
＊出典：経済産業省HP「我が国の地球温暖化対策（京都議定書目標達成計画）及び温室効果ガスの排出状況」
https://www.maff.go.jp/j/kanbo/kankyo/seisaku/climate/honbu/attach/pdf/top-21.pdf

この温室効果ガスのなかにPFCが上げられています（表6）。

表6：温室効果ガスの地球温暖化係数と主な発生源
＊出典：経済産業省HP「我が国の地球温暖化対策（京都議定書目標達成計画）及び温室効果ガスの排出状況」
https://www.maff.go.jp/j/kanbo/kankyo/seisaku/climate/honbu/attach/pdf/top-21.pdf

ちなみに、パリ協定でも京都議定書を引き継ぎ、すべての国がPFCを含む温室効果ガスの排出削減目標を定め、目標達成に向けて対策を実施する義務を負うことが記載されています*10。

PFCの削減で主導的な役割を果たしたのが世界半導体会議（WSC）です*11。

第1回世界半導体会議が開催された1997年当時は半導体生産シェアの大半が日米で占められていました*12。
このような状況下にあった日米がけん引して韓国や台湾、欧州に働きかけて半導体産業のクリーン化を目指しました*13。

1999年には「2010年までにPFCの排出量をそれぞれの基準レベルより10%以上削減する」（WSC自主宣言）という共通のPFC削減目標値の合意を実現しています*14。

活動の結果、欧州、日本、韓国、米国、台湾の合計で、目標を大きく上回る32%の削減に成功したことが、2011年のWSCで報告されています*15。

欧州では1995年から15年のあいだに、PFCの排出量が図5のように推移しています（図7）。

図7：欧州半導体企業におけるPFC排出量の推移
＊出典：経済産業省HP「半導体産業によるPFC排出削減の自主的取り組み」
https://www.meti.go.jp/committee/summary/0004000/pdf/037_s03_03_02.pdf

PFCの排出量が欧州で削減に向かった背景には、京都議定書やWSC自主宣言にのっとり、2007年に「エネルギー・気候変動政策パッケージ」で1995年比で20%の削減目標が欧州で立てられたことが挙げられます*16*17。

ただし、温室効果削減目標は設定されても半導体における具体的な規制策を打ち出せずの*18、欧州産業界が自主的にPFC排出の削減に取り組みました*19。

結果として、41%の削減が実現したのです。

これだけだと欧州が政府レベルでは半導体産業の環境問題に深くコミットしていないように見えるかもしれません。
それには背景があります。

もちろん、ESIA（欧州半導体産業連合）のように環境問題についての方針を立てる機関もあったり、欧州連合が2011年に「RoHS（特定有害物質使用制限）指令」*20を発効し、鉛などの有害物質を含む電子機器の使用を規制したりするなど、まったくコミットしていないというわけではありません。

しかしながら、WSCの設立が1997年当時半導体生産シェアの高い日米が主導したように、半導体を生産する国の意向が反映されています。

WSCの参加国は半導体生産の約9割を占め、2019年の国別シェアは米国51%、韓国21%で、欧州が7%で第3位です（図8）。

図8：半導体企業の所属国・地域別シェア
＊出典：IC Insights HP「U.S. IC Companies Maintain Global Marketshare Lead」（2020年）
https://www.icinsights.com/news/bulletins/US-IC-Companies-Maintain-Global-Marketshare-Lead/

欧州の占める半導体産業のシェアはここ20年10%前後とほとんど変化なく、欧州が半導体産業の環境問題に深くコミットできるほど発言権がなかったともいえるでしょう*21。

世界的に半導体産業の環境問題を解決しようとする場合、実際に半導体デバイスを生産するシェアの高い米国や韓国がこの問題にどう向き合うかが重要です。

半導体の製造大国である米国や韓国、後述する半導体製造装置の生産シェアの高い日本などが、半導体の環境問題に大きく関わりを持つといえます。

半導体がもたらす環境問題に対する国内での施策

次に、半導体がもたらす環境問題に対する国内での施策として、半導体材料の開発と半導体デバイスを製造するための「半導体製造装置」という観点から論じてみましょう。

半導体デバイスの材料が主に無機材料であることは、先述しました。
しかし、無機材料の一部は生物に対して毒性をもつため、廃棄されると環境への影響が大きいという欠点があります。

そこで注目されているのが、有機半導体です。無機材料が半導体デバイスの製造に有用とされるのは、有機材料よりもデバイスの質量を軽くできる点です*22。
ただし環境問題に配慮するならば、有機材料で半導体デバイスを製造するのが適切だといえます。
また鉛フリーな有機半導体デバイスが製造されるようになると、廃棄されたとしても環境負荷は小さくなります。

有機材料のなかには微生物によって水と二酸化炭素に分解できるものも開発されています*23。

これらの「生分解性」*24をもつ有機半導体が開発・実用化されることは、産業廃棄物の問題解決にもつながります。
日本でも有機半導体の研究・開発が行われ、たとえば炭素の同位体である「フラーレン」を使った有機半導体で太陽電池を作製する研究が行われています*25。

しかし、有機半導体は動作速度が遅いことや酸素や水分に弱いといった欠点もあります*26。

これは、無機半導体がこれまで可能にしてきたAIやIoT、5Gなど重要なインフラへと成長したテクノロジーを、有機半導体で代替することは現状難しいことを意味します。

もちろん、有機エレクトロルミネッセンス（EL）のようにすでに実用化されている有機半導体もありますが、電子回路に不可欠な「トランジスタ」と呼ばれる増幅回路を有機半導体で代替することは現状では困難です*27。

では、無機材料で作製した半導体デバイスは不可欠であるとして、どのように国内では廃棄物処理されているのでしょうか。

日本では平成11年（1999年）4月に「特定家庭用機器再商品化法（家電リサイクル法）」が施行されました（図9）*28。

図9：家電リサイクル法の仕組み
＊出典：環境省HP「家電リサイクル法の概要」
https://www.env.go.jp/recycle/kaden/gaiyo.html

それによると、エアコンやテレビなど家電製品は小売業者に収集され、製造業者や輸入業者が再商品化のために引き取ります。
こうした大型家電製品にも半導体デバイスは用いられています。

では、廃棄された家電製品の半導体デバイスに使用されるレアメタルは、どう扱われているのでしょうか。

家電製品に含まれるレアメタルの扱いについて、経済産業省が平成23年（2011年）11月に「レアメタルのリサイクルに係る現状」という報告書を出しています。

それによると、レアメタルのリサイクルは進んでいないと報告されています。

理由として、

1. 使用済み製品が回収されずに海外に廃棄される
2. 回収品がレアメタルのリサイクル業者に届かない
3. リサイクル技術が開発途上
4. レアメタルの含有情報が企業秘密であるため、関係者間で情報が十分に共有されずに廃棄される

等が挙げられています*29。

このような結果を受け、レアメタルのリサイクルが進展するよう経済産業省が動き始めました（図10）。

経済産業省は近年の具体的な成果を報告していませんが、レアメタルのリサイクル技術は民間主導で開発されていることがPRで報告されています*30。

図10：レアメタルのリサイクルに係る経済産業省の取組
＊出典：経済産業省HP「レアメタルのリサイクルに係る現状」p.9
https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/sangyo_gijutsu/haikibutsu_recycle/pdf/015_04_00.pdf

続いて、半導体製造装置という観点から、日本の取り組みをみていきましょう。

半導体製造装置とは、電子回路で不可欠な増幅やスイッチなどを作るトランジスタを大量生産するための機械で*31、半導体を実際に製造するのに欠かせません。

台湾や韓国といった半導体デバイスのシェアの高い国では、半導体製造装置をメーカーなどから仕入れる必要があります。

この半導体製造装置のシェアを大きく占めているのが日本です。
VLSI Researchによると、2019年の半導体製造装置のサプライヤーの上位15社のうち、8社が日本の企業です（表11）。

表11：2019 Top Equipment Suppliers
＊出典：VLSI Research HP「2019 Top Semiconductor Equipment Suppliers; The year was won by ALD, Process Control, EUV, and SOC Test」（2020年）
https://www.vlsiresearch.com/the-chip-insider/semiconductor-equipment-suppliers-growth-database-2019

こうした半導体製造装置のなかでPFCなどの温室効果ガスがクリーニング用に使用されている*32ため、半導体製造装置と実際の半導体製造の両軸からこの問題に取り組まなければなりません。

半導体製造装置のシェアが高い日本でも、実際にPFCの削減に向けてコミットしています。

たとえば、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）はPFCに代わるクリーニングガスとして、フッ化カルボニルを開発しました*33。

地球温暖化係数が23,900だった六フッ化硫黄と比較し、フッ化カルボニルは1と温室効果が非常に低いです。
実証実験には半導体製造装置も実際に使用されています*34。

WSCでも温室効果ガスを減らす方法として、PFCに代わりにフッ化カルボニルを活用することが推奨されています*35。

このように、半導体デバイスのシェアでは日本は大きくないものの、半導体製造装置という部分では、日本がこの問題にコミットできる機会は多く広がっているのです。

半導体がもたらす環境負荷の軽減のためのシナリオ

では、半導体がもたらす環境負荷を軽減するためにはどのようなシナリオが想定されるでしょうか。
これまでと同様に、半導体材料と半導体製造装置という観点から検討してみましょう。

まずは無機半導体材料から見ていきます。

先述したように、家電リサイクル法によって半導体デバイスを含む家電製品はリサイクルすることで、廃棄物処理されることはなくなっていくでしょう。

廃家電の取引実績（図12）を確認すると取引台数が年々増加しており、半導体デバイスが破棄される可能性が減っていることを意味します。

図12：廃家電4品目の取引実績
＊出典：家電製品協会HP「家電リサイクル実績」
https://www.aeha.or.jp/recycling_report/03.html

では、レアメタルのリサイクルはどの程度進展したのでしょうか。

上記の取引実績からは冷蔵庫やテレビ、エアコンなどの大型家電の回収が増えたことが分かりますが、携帯電話などの小型家電の回収は数字に含まれていません。

事実、他のデータによると携帯電話の回収は横ばい状態です（図13）。

図13：使用済携帯電話の回収実績
＊出典：資源・リサイクル促進センターHP「主要品目のリサイクル率」http://www.cjc.or.jp/data/main_b17.html

そこで経済産業省は2015年に小型家電の回収量を増やすことを目標にしました（図14）。

図14：小型家電の回収目標年間14万トンの達成イメージ
＊出典：経済産業省HP「小型家電リサイクルの回収目標について」p.7
https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/sangyo_gijutsu/haikibutsu_recycle/kogata_wg/pdf/002_03_00.pdf

2013年には、デジタルカメラやゲーム機といった使用済小型電子機器の再資源化を促進するために、小型家電リサイクル法が施行されました*36。

これにより、レアメタルが回収される可能性が増えています。

レアメタル回収業者による最新の回収実績を示す表はありませんが、産業環境管理協会 資源・リサイクル促進センターにはリサイクル回収業者が数多く名を連ね、またレアメタルのリサイクル技術の動向も報告されています*37。

つまり懸案だった回収業者にレアメタルが回収される機会が増え、レアメタルをデバイスから分離する技術の研究も進展しています。

レアメタルを回収し再利用する機会が増えるということは、「都市鉱山」に残されたレアメタルや有害な無機半導体材料の廃棄が減ると言えます。

では、有機半導体は今後どのように進展するのでしょうか。

先述のように、有機半導体デバイスはトランジスタには不向きです。
しかし、有機半導体デバイスを用いる電子機器はAIやIoTなど高速な計算処理を要する電子機器に限られません。

代表例がセンサーや太陽電池です。

たとえば太陽電池では従来、シリコン系や（無機）化合物系などが主流でした。
そこで近年注目を浴びるのが「ペロブスカイト太陽電池」と呼ばれる結晶構造をもつ材料を使った太陽電池です*38。
このペロブスカイト太陽電池の材料として有機化合物を含む半導体が用いられています。

変換効率も従来のシリコン系や化合物系に匹敵するだけでなく、フレキシブル（折れ曲がる性質）をもつなど、利便性の高い太陽電池の開発が可能になります。

有毒な鉛を用いず、有機材料が用いられているため、環境負荷の低減が期待されます。
もちろん、太陽電池の生産に貢献するので、自然エネルギーの利用という観点からも有用です。

このように、有機半導体の需要は増えることが予想されます（図15）。

図15：Organic Semiconductor Market
＊出典：Market Research Future HP「Global Organic Semiconductor Market Research Report」
https://www.marketresearchfuture.com/reports/organic-semiconductor-market-8069

無機半導体から有機半導体に完全代替することは困難ですが、有機半導体が活用できる部分は取り入れ、無機半導体を利用してもリサイクルが適切に実施されるならば、環境負荷の低減につながるでしょう。

では、半導体製造装置の改善による環境負荷の低減策としては何が期待されるでしょうか。

半導体製造装置は日本のシェアが高いことは先述しました。
半導体の製造を実際に行なう垂直統合型やファウンドリでは、米国や韓国、台湾等が多くのシェアを占めています。
しかし、環境負荷低減という観点からは半導体製造装置を製造する日本や米国の協力なしには解決しません。

半導体製造装置の改善による環境負荷の低減については、先述したようなPFCの代替ガスの開発が考えられます。
また半導体製造装置そのものの電力消費量を減らすことも考えられるでしょう。

半導体デバイスの需要が増えるほど、半導体製造装置が活躍する機会が増え、結果として電力消費量が増えるというジレンマを抱えています。

こうした半導体に関わる環境問題を解決するカギを握るのは、日本や米国といえます。

つまり、有機半導体の開発や半導体製造装置の改善という両面から日本は積極的に環境問題に取り組めるという点で強みをもち、半導体がもたらす環境問題解決をけん引していくことが期待されるでしょう。

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