今回のテーマは、
「半導体の土台になるシリコンウェハは、どんな材料で、どうやってつくるのか」
答え：原子が規則正しく並んだ単結晶のシリコンを、融かしたシリコンから引き上げて育て、薄く切って磨いた円盤です。部品の性質をそろえるために、結晶がそろっていること、不純物が極めて少ないことが必要です。
この記事でわかること
- ① なぜ単結晶か
- ② 結晶の育て方
- ③ 切って磨いて、ウェハにする
- ④ ウェハの大きさ
- ⑤ ウェハの品質
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① なぜシリコンの、しかも単結晶なのか
大事なポイント：ウェハの材料は、電気の通りやすさを調整できるシリコンです。しかも、原子が規則正しく並んだ単結晶でなければなりません。
シリコンは、電気をよく通す金属と、ほとんど通さない絶縁体の中間の性質を持つ半導体です。この性質は、ほかの原子を少量混ぜることで変えられます。たとえばホウ素を混ぜるとp型、リンを混ぜるとn型になります。混ぜる操作をドーピングといい、ウェハは、最初から10の13乗〜10の16乗個/cm³（1立方センチメートルあたり）ほどの原子がドーピングされた状態でつくられる、と参考資料に書かれています。半導体の性質は、既存の講座（デバイス基礎3級）で学べます。
次に、単結晶とは、全体が1つの結晶で、原子がどこでも同じ規則で並んだ状態です。シリコンの場合、原子は「ダイヤモンド構造」という並び方で、並びの間隔は約0.543nmです。これに対して、小さな結晶の粒が集まったものを多結晶といいます。粒と粒の境目では原子の並びが乱れるため、電気の流れ方が場所によって変わりやすくなります（一般的な説明です）。
回路の部品は、ごく小さな範囲の電気の流れで動きます。ウェハのどこでも性質が同じでなければ、同じ設計でつくった部品の性能が、場所ごとにばらついてしまいます。そこで、ウェハには、ほぼ欠陥のない単結晶のシリコンが使われます。
確認クイズ：ウェハが多結晶ではなく単結晶である理由を、一言で言うと何ですか？
答え：全体で原子の並びがそろっていれば、場所によって電気の性質がばらつきにくいからです。
② 結晶の育て方：融かして、引き上げる
大事なポイント：単結晶は、融かしたシリコンに種になる小さな結晶をつけ、回しながらゆっくり引き上げて育てます。この方法をチョクラルスキー法といいます。
原料は、まず岩（ケイ石）から取り出します。ケイ石は二酸化ケイ素で、そこから純度約98%の金属級シリコンをつくり、さらにトリクロロシランという液体にして、高純度のシリコンを析出させます。参考資料では、こうしてできる電子用の多結晶シリコンの不純物は1ppb（10億分の1）未満とされています。
この高純度の塊から単結晶を育てる手順は、次のとおりです。
- 石英（二酸化ケイ素）のるつぼに多結晶シリコンを入れ、シリコンの融点（約1,414℃）を超える高温で融かします。
- 方向をそろえた種結晶を、融けたシリコンの表面につけます。
- 種結晶を回しながら、ゆっくり引き上げます。種と同じ並びで、新しい結晶が下に育ちます。
- 温度・引き上げる速さ・回す速さを調整して、太さをそろえます。
くわしいしくみを、3点だけ補います。1つめは、全体をアルゴンなどの不活性ガス（ほかの物質と反応しにくい気体）で満たす点です。融けたシリコンが空気中の成分と反応するのを避けるためで、第3講で学ぶ「ガスの役目」の例です。2つめは、ホウ素やリンなどを決まった量だけ融液に加えて、p型かn型かを決める点です。3つめは、るつぼの石英が少しずつ融けて、酸素がシリコンに入る点です。酸素は約10の18乗個/cm³ほど含まれるとされ、役に立つ面と、悪さをする面の両方があります（第5節で説明します）。
育った結晶の棒をインゴットといい、長さは最大2mほど、重さは数百kgにもなります。単結晶は「融かして引き上げる」ことで、ウェハ1枚の大きさより、はるかに大きく育てられます。
確認クイズ：チョクラルスキー法で、結晶を育てる装置の内部をアルゴンで満たすのは、何のためですか？
答え：融けたシリコンが、空気中の成分と反応するのを避けるためです。
くわしく見る：インゴットの重さを見積もる
直径300mm（半径15cm）、長さ1mの円柱を考えます（実際は、ウェハより少し太く育てるため、この値は目安です）。体積は π × 15² × 100 ＝ 約70,686 cm³ です。シリコンの密度を約2.33 g/cm³（一般的な値）とすると、重さは 70,686 × 2.33 ＝ 約164,700 g、つまり約165kgです。参考資料の「数百kg」と同じ桁になります。
③ インゴットから、ウェハへ：切って、削って、磨く
大事なポイント：インゴットは、薄く切り、削り、薬液で傷を取り、磨いて、ウェハになります。
参考資料によると、インゴットはウェハ用ののこぎりで薄く切ります。切ったままの表面には、細かい傷や凸凹があります。そこで、平らに仕上げる加工をしたあと、薬液（化学エッチング）で加工による傷の層を取り除き、最後に磨いて、なめらかな鏡のような面にします。第4講で学ぶ薬液が、ウェハ自身をつくる段階でも使われているわけです。
ウェハには、向きを知るための印がつきます。シリコン結晶は、切る向き（面方位）によって性質が変わるため、回路をつくる面の向きをそろえる必要があるからです。参考資料では、よく使われる面方位は(100)と(111)で、直径が200mm以上のウェハは、小さな切り欠き（ノッチ）で向きを示す、と書かれています。小さいウェハでは直線の切り欠き（フラット）が使われます。
厚さは、300mmのウェハで約775µmが一例として挙げられています（200mmでは約725µm）。薄い円盤を割らずに運べるよう、直径が大きいほど厚くする、と考えると覚えやすいです（これは一般的な説明です）。切る・削る・磨くの各段階で、結晶の傷や汚れを取り除いて、ウェハの面を仕上げます。
確認クイズ：ウェハの「ノッチ」は、何のためにありますか？
答え：ウェハの向き（結晶の向き）を示すためです。
④ ウェハの大きさ：なぜ300mmなのか
大事なポイント：ウェハは、直径を大きくする方向で進歩してきました。いまの主流は300mm（12インチ）で、大きいほど1枚から取れる回路の数が増えます。
大きなウェハは、150mm（6インチ）が1980年代、200mm（8インチ）が1990年代、300mm（12インチ）が2000年ごろに使われはじめた、と説明する資料があります。年は、資料によって少しずれがあります。450mmも提案されましたが、一般には使われていません。
なぜ大きくするのでしょうか。回路は、1枚のウェハの上に、同じ形の小さな区画（チップ）を、びっしり並べてつくります。1枚のウェハにかかる工程の手間は、ほぼ同じなので、1枚から取れるチップが多いほど、チップ1個あたりの手間は少なくなります（一般的な説明です）。面積は直径の2乗に比例するため、直径が1.5倍になると、面積は約2.25倍になります。直径を大きくするほど、1枚から取れるチップが増えて、1個あたりの手間が減ります。
確認クイズ：直径200mmから300mmにすると、ウェハの面積は約何倍ですか？
答え：約2.25倍です（1.5の2乗）。
くわしく見る：面積の比を計算する
半径を使い、面積 ＝ π × 半径² で比べます。200mmは半径100mm、300mmは半径150mmです。
200mm：π × 100² ＝ 31,416 mm² ／ 300mm：π × 150² ＝ 70,686 mm²
70,686 ÷ 31,416 ＝ 2.25（倍）です。1個10mm×10mm（100mm²）のチップなら、端の欠けを無視した目安で、200mmは約314個、300mmは約706個です。
⑤ ウェハの品質：何がそろっていれば良いウェハか
大事なポイント：ウェハの品質は、純度、結晶の欠陥の少なさ、平らさ、ドーピングの量の4つで決まります。
1つめは純度です。参考資料では、純度が99.9999999%（9N）以上、とされています。鉄や銅などの遷移金属（重金属の仲間）は、10億分の1（ppb）の水準より低く抑える必要がある、とも書かれています。
2つめは結晶の欠陥の少なさです。原子の並びが乱れた所があると、そこが電気の流れを妨げます。
3つめは酸素です。るつぼから入る酸素は、有害な金属を捕まえる（ゲッタリング）ことや、ウェハを割れにくくする点では役立ちます。一方、酸素が集まって粒になると、部品の場所によっては悪さをします。つまり、「少なければよい」のではなく、量と分布を管理するのが大切です。これは▶ 2級でくわしく学ぶ内容です。
4つめは平らさです。光で形を描く工程では、ウェハの表面にピントを合わせるため、わずかな凸凹も影響します。表面の粒子や金属の汚れも、不良の原因になります。ウェハは、純度・結晶・酸素・平らさの4つを管理した、最もきれいな固体材料です。
確認クイズ：ウェハ中の酸素は、少なければ少ないほどよいのですか？
答え：いいえ。有益な面と有害な面の両方があるので、量と分布の管理が大切です。
この講のまとめ
ウェハは、原子の並びがそろった単結晶のシリコンでできた、薄い円盤です。
単結晶は、融かしたシリコンに種結晶をつけて、回しながら引き上げてつくり、切って・磨いてウェハにします。
主流は300mmで、直径が大きいほど1枚から取れるチップが増えます。純度・結晶・酸素・平らさが品質を決めます。
次の講では、工程で使うガスについて、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。
ことばのおさらい
- 単結晶：全体が1つの結晶で、原子の並びがそろった状態です。
- ドーピング：少量の別の原子を混ぜて、電気の性質を変えることです。
- インゴット：引き上げて育てた、結晶の太い棒です。
- チョクラルスキー法：融かしたシリコンから、結晶を引き上げて育てる方法です。
- ノッチ：ウェハの向きを示す、小さな切り欠きです。
- ppb：10億分の1を表す単位です。
よくある誤解
Q. ウェハは、ただシリコンを薄く切った板ですか？
いいえ。純度の高い単結晶を育て、切ったあとに、薬液で傷を取って磨いた、品質を管理した材料です。
Q. ウェハは、大きいほどいつも良いのですか？
直径が大きいとチップは増えますが、結晶を均一に育てる難しさも増えます。450mmは提案されましたが、一般には使われていません。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Wafer (electronics)」（直径・厚さ・導入年、9N、単結晶、ノッチとフラット、ドーピング、面方位、遷移金属）
- Wikipedia「Czochralski method」（引き上げの手順、融点を超える温度、アルゴン、酸素、インゴットの大きさ）
- トリニティ・カレッジ・ダブリン 講義資料「Lecture 9」（るつぼ内を不活性ガスのアルゴンで満たす、融液は約1,414℃超〜1,500℃未満、酸素はるつぼ由来、300mm×長さ2mまで、ウェハの厚さの例（200mmで725µm、300mmで775µm））
- halbleiter.org「Raw silicon」（金属級シリコンは約98〜99%、トリクロロシランの蒸留、電子用は「ナイン」が9〜11個の純度）
- Sekorm「Shift to Larger Diameter Silicon Wafers」（150mmは1980年代、200mmは1990年代、300mmは2000年ごろ）
- Wikipedia「Polysilicon」（金属級シリコン、トリクロロシラン、不純物1ppb未満）
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（ウェハの大きさの変遷）
ケイ石から金属級シリコンへの変換の詳細、多結晶の電気的な説明、厚さの理由、チップ数の考え方、シリコンの密度2.33g/cm³は、一般的な説明や値です。インゴット165kg、チップ314個・706個は、理解のための目安の計算です。図は、記事用に描いた簡易の図です。
