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】

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

この講のまとめ

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

• Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（ウェハ、窒素、ガス、薬液、汚染物質、クリーンルーム）
• Wikipedia「Wafer (electronics)」（純度、直径）
• Wikipedia「Sputtering」（ターゲット、アルゴン）
• Wikipedia「Photoresist」（レジスト、現像液、ポジ型・ネガ型）
• Wikipedia「RCA clean」（洗浄に使う薬液）

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。