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半導体の材料とは?ウェハ・ガス・薬液・ターゲット・レジストが使われる工程をわかりやすく解説【材料・ガス・薬液3級・第1講】

SEMICON CAMPUS 無料講座材料・ガス・薬液コース3級 入門 ・ 第1講
① 断面で見る:どの層に、どの材料が使われるか金属膜絶縁膜シリコンウェハ(土台)レジスト(光で形を写す膜)レジスト:液で塗り、現像液で形を浮かび上がらせる金属膜:金属の板(ターゲット)をアルゴンガスで飛ばして付ける絶縁膜:反応性のガスから化学反応でつくるウェハ:結晶をつくる工程でできた固体の土台洗浄では、超純水と薬液がウェハの表面を整える
断面図です。下から、シリコンウェハ、絶縁膜、金属膜、レジストの順に重なります。右の文は、各層をつくるときに使う材料です。(簡易の模式図。層の厚さの比は実際とは異なります)

今回のテーマは、

「半導体づくりでは、どんな材料を、どの工程で使うのか」

答え:シリコンの薄い円盤(ウェハ)を土台に、気体・液体・固体の材料を、工程ごとに使い分けます。膜をつくる、形を描く、削る、洗う、のどれにも材料が必要で、どれも高い純度が求められます。

黄色のマーカー = この講座のテストに出す重要ポイント

この記事でわかること

  • ① 材料が要る理由
  • ② 工程ごとの材料
  • ③ 固体・気体・液体の分け方
  • ④ 材料に共通する3つの要求
  • ⑤ このコースの地図

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① 材料が要る理由:半導体は「加工」でできている

大事なポイント:半導体の回路は、材料に手を加えて、少しずつ形にしてつくります。加工のたびに、その加工専用の材料が使われます。

半導体の回路は、設計した形を、シリコンの上に実際の物としてつくったものです。その土台になる材料の薄い円盤をウェハといいます。ウェハの上に、膜(薄い層)を付け、光で形を描き、不要な所を削り、表面を洗います。この流れを何度もくり返して、トランジスタなどの部品と、それをつなぐ配線を重ねます。

ここで、素朴な疑問が浮かぶかもしれません。「装置があれば、回路はできるのではないか」という疑問です。実際には、装置は材料を加工する道具で、材料がなければ何もできません。膜を付けるには、膜の元になる気体か金属が要ります。削るには、削るための気体か液体が要ります。洗うには、きれいな水と薬品が要ります。つまり、材料は、装置の動きを形にするための「中身」です。

くわしい回路の考え方は、既存の講座(デバイス基礎3級)で学べます。この講では、回路ができるまでに「何が、どこで使われるか」を、材料の側から地図のように眺めます。材料は、工程の数だけ種類があり、工程ごとに使い分けられます。

確認クイズ:なぜ、装置だけでは回路をつくれないのですか?

答え:膜の元になる気体や金属、削るための気体や液体、洗うための水や薬品など、加工に使う材料が必要だからです。

② 工程ごとの材料:洗浄から、レジスト除去まで

大事なポイント:1つの工程には、ふつう複数の材料がかかわります。工程ごとに、使う材料と役目を押さえましょう。

② 工程の流れと、使う材料① 洗浄表面を清潔に② 成膜膜を付ける③ 塗布・露光レジストで形を写す④ エッチング不要な所を削る⑤ レジスト除去型を取り去る超純水薬液ガス金属ターゲットレジスト現像液ガス薬液薬液ガス材料の色分け:液体気体固体塗る樹脂この①〜⑤を、層の数だけくり返して、回路をつくります
左から右へ、①〜⑤の順に進みます。箱の下の色つきの札が、その工程で使う材料です。(簡易の模式図。実際の工程にはさらに多くの種類があります)

代表的な5つの工程を、順に見ます。

  1. 洗浄:表面についた粒や汚れを除きます。薬液で汚れをはがし、超純水(不純物をほとんど含まない水)ですすぎます。洗わないと、汚れの上に膜が付いて、不良の原因になります。
  2. 成膜:ウェハの上に膜を付けます。気体の材料を反応させて付ける方法と、金属の板(ターゲット)にアルゴンの気体の粒を当てて、はじき出した金属を付ける方法があります。後者はスパッタリングと呼ばれ、アルゴンは金属と反応しない気体なので使われます。
  3. 塗布・露光・現像:光に反応するレジストという樹脂を塗り、光で形を写し、現像液で不要な部分を溶かします。光に当たった部分が溶けやすくなる型を「ポジ型」、反対を「ネガ型」といいます。現像液には、水に近い液(TMAHという薬品の水溶液など)が使われることがあります。
  4. エッチング:レジストの型に合わせて、膜の不要な部分を削ります。気体のプラズマで削る方法と、薬液で溶かす方法があります。
  5. レジスト除去:型として役目を終えたレジストを取り去ります。

このように、1つの回路をつくるあいだに、気体・液体・固体の材料がいくつも入れ替わりで使われます。

確認クイズ:光で形を写すために、ウェハに塗る樹脂を何といいますか?

答え:レジストです。光が当たった部分と当たらない部分で、現像液への溶けやすさが変わります。

③ 材料を状態で分ける:固体・気体・液体

大事なポイント:材料は、固体・気体・液体に分けると覚えやすくなります。状態によって、保管の仕方や運び方が大きく変わります。

③ 材料を、固体・気体・液体に分けて見る固体シリコンウェハ金属ターゲット(板)第2講で学ぶ気体GAS窒素・アルゴンなど膜をつくる反応性のガス第3講で学ぶ液体酸・アルカリ・溶剤超純水・レジスト・現像液第4講で学ぶ
材料を、状態で3つに分けました。どの状態の材料も、工程ごとに決まった使い方があります。(簡易の模式図)

固体の材料は、ウェハと、金属のターゲットです。ウェハの原料となるシリコンは、高純度の多結晶シリコンを溶かして、1本の結晶に育てる方法で単結晶(原子が規則正しく並んだ結晶)にします。この方法は第2講で学びます。

気体の材料は、窒素やアルゴンのように反応しにくいガスと、膜をつくったり削ったりするために反応させるガスです。参考にした資料では、ウェハを入れる容器の内部を窒素で満たし、銅がさびる(酸化する)のを防いでいる例が書かれています。ガスは漏れると広がるので、毒性や燃えやすさの管理が大切です。第3講で学びます。

液体の材料は、酸・アルカリ・有機溶剤などの薬液と、超純水、そしてレジストです。参考にした資料では、ウェハの洗浄や、エッチングに使う液体として、過酸化水素、硫酸、フッ化水素酸、アセトンなどが挙げられています。第4講で学びます。

状態が違うと、運び方・保管・漏れたときの危険が変わるので、管理の考え方も変わります。

確認クイズ:ウェハとターゲットは、固体・気体・液体のどれに分けられますか?

答え:固体です。

④ 材料に共通する3つの要求:純度・安定供給・安全

大事なポイント:材料には、種類を問わず、きれいであること、切らさず届くこと、安全に扱えることの3つが求められます。

1つめは純度です。ウェハは、全体のうち不純物が10億分の1程度にまで抑えられた高純度のシリコンです(参考資料では「9N(99.9999999%)以上」と書かれています)。ただし、これは代表的な値で、用途により変わります。参考にした資料は、鉄・銅・ニッケル・亜鉛などの重金属がウェハに残ると歩留まり(良品の割合)が下がる、と説明しています。なぜ厳しいかというと、回路の部品はとても小さく、わずかな汚れでも動きが変わるからです。第5講でくわしく学びます。

2つめは安定供給です。材料が止まると、工場全体が止まります。材料は、ウェハ・ガス・薬液のように種類が多く、それぞれ別の会社や別の国から届くことも珍しくありません。ウェハ・ガス・薬液のどれかが足りなくなると、ほかの材料が揃っていても、生産は続けられません。

3つめは安全です。材料には、燃えやすい、毒性がある、強い酸のように人体や設備に害がある、といった性質を持つものがあります。そのため、材料ごとに、置き場・配管・取り扱いの手順が決められています。第3講から第5講の最後に、「安全のひとこと」を置きました。実際の取り扱いは、職場の決まりと安全データシート(SDS)に従ってください。

確認クイズ:材料に共通する3つの要求は何ですか?

答え:純度、安定供給、安全です。

くわしく見る:「9N」は、不純物がどのくらいか

「9N」は、9が9個並ぶ純度、つまり99.9999999%という意味です。不純物の割合は 100% − 99.9999999% = 0.0000001% で、これは 10億分の1(1ppb)の割合にあたります。式で書くと、1 ÷ 1,000,000,000 = 0.000000001、つまり0.0000001%です。表現の仕方は資料により違うので、目安として覚えてください。

⑤ このコースの地図:第2〜5講で学ぶこと

大事なポイント:この講で見た地図を、次の講から1つずつ拡大していきます。

第2講は、固体の材料の代表であるシリコンウェハです。なぜ単結晶か、どうやって結晶を育てるか、なぜ大きな直径(300mm)が使われるかを学びます。第3講は、工程で使うガスです。反応しにくいガスと反応するガス、毒性や可燃性の管理を学びます。第4講は、薬液と超純水です。酸・アルカリ・溶剤の役目と、水をどこまできれいにするかを学びます。洗浄の工程そのものは、洗浄の講座でくわしく扱います。第5講は、材料の純度の管理と供給です。不純物の量をどう表すか、ロットをどう管理するか、供給が止まる危険をどう考えるかを学びます。

材料の学習は、「何を」「どの状態で」「どれだけきれいに」「どう安全に」の4つの視点で整理できます。この4つの視点は、次の講以降も使います。

確認クイズ:このコースの第3講では、何を学びますか?

答え:工程で使うガスです。反応しにくいガス、反応するガス、毒性や可燃性の管理を学びます。

この講のまとめ

この講のポイント

半導体づくりは、膜を付ける・形を描く・削る・洗うのくり返しで、工程ごとに材料が使われます。
材料は、固体(ウェハ・ターゲット)、気体(ガス)、液体(薬液・超純水・レジスト)に分けられます。
どの材料にも、純度・安定供給・安全の3つが求められます。

次の講では、固体の材料の代表であるシリコンウェハについて、結晶・大きさ・品質を学びます。

ことばのおさらい

  • ウェハ:半導体の材料でできた、薄い円盤です。
  • 膜:ウェハの表面に付ける、薄い層です。
  • ターゲット:スパッタリングで、はじき出されて膜になる金属の板です。
  • レジスト:光に反応する樹脂で、形を写すために塗ります。
  • 現像液:光で変化したレジストの部分を溶かす液です。
  • 超純水:不純物をほとんど含まない水です。
  • 歩留まり:つくった製品のうち、良品の割合です。

よくある誤解

Q. 材料は、工程ごとに1種類だけ使うのですか?

いいえ。1つの工程にも、気体・液体・固体の材料が複数かかわります。

Q. ウェハは、ただの「板」で、材料の一部ではないのですか?

ウェハは、回路の土台になる、最も大切な固体の材料です。

参考にした公式情報

工程の順序と、材料の分類(固体・気体・液体)は、一般的な説明です。「9N」の割合の計算は単純な算術です。図は、記事用に描いた簡易の図です。

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