半導体シリコンウェハーの専門商社、株式会社トリニティーのシリコンウェハーについてご紹介いたします。

コラム

シリコンウエハーとは?

最近、新車を購入しても納車が半年待ちあるいは1年待ちの状況になっているといったニュースをよく見ます。
この原因のひとつに、半導体不足があります。
NHKが国内の主な企業にアンケートを行った結果、「半導体を使った部品の調達が困難である」と40%超の企業が回答しています。
今回は、その半導体に使われる「シリコンウエハー」について解説します。

シリコンウエハーとは?

シリコンウエハーとは、現在私たちの暮らしに欠かすことのできない、さまざまな電子製品および電気製品に搭載されている半導体に使われる材料です。
高純度の多結晶シリコンのインゴットを、厚さ1mm程度に切断して、ウエハー(円形の薄い板)に加工したものです。
このウエハーをクオリティの高い技術で加工することで、ダイオードやトランジスタなどの個別半導体素子が製造できます。さらにIC(集積回路)や、さまざまな半導体デバイスがシリコンウエハーを利用して製造されています。

■半導体に欠かせない材料

シリコンウエハーは、日常生活で目にすることはまずありません。
しかし、表面を鏡面に磨き上げ、世界中のあらゆる物質の中で最も高い平坦度を誇る材料です。
さらに、微細な凹凸や微粒子を限界まで排除した、超平坦・超清浄な円板で、半導体の基盤(基板)材料です。
高性能な半導体には、高度な技術で製造した最高品質のシリコンウエハーが使われています。

シリコンウエハーはどのようなものに使われている?

シリコンウエハーは、多彩な電子製品に使われています。
先にもお伝えしている通り、シリコンウエハーは単体で利用されることはなく、半導体の材料として利用されます。
ですから、半導体を利用している全ての電子製品には、必ずシリコンウエハーが使われています。
具体的に言うと、スマートフォン・タブレット・パソコンや、各種ウェアラブルなどの情報端末をはじめ、テレビ・エアコンなどの家電製品、自動車や電車といった乗り物など、身近にあるほとんどの電子機器に、半導体デバイスが使われています。
そこには必ず、シリコンウエハーも使われているのです。

■シリコンウエハーはIoT時代を支える材料

今後5G対応のスマートフォンや、自動車や産業機械などさまざまなモノが、インターネットに繋がるIoT(Internet of Things)の時代を迎えます。
その際には膨大なビッグデータを保存してデータ処理するメモリが必要となるでしょう。
また、自動車分野においてもスマートアシストなど、安全運転支援では高性能な各種センサーが必要不可欠となってきます。
その時に必要となるのが高品質な半導体であり、シリコンウエハーなのです。

シリコンウエハーの製造工程

シリコンウエハーの製造は、主に2つの工程に分けられます。
すべての工程は、基本的に高水準の清浄度を誇るクリーンルーム内で行われます。
さらに、厳密な品質管理にて高純度・高品質なシリコンウエハーの製造が可能となっています。
ここでは、それぞれの工程を解説していきましょう。

■単結晶引上げ工程

先ずは珪素(シリコン)を還元して、金属シリコンを作ります。
その後、蒸留法の一つである精留反応にて多結晶シリコンを生成。
この多結晶シリコンを原料にして、シリコンウエハーの材料となる単結晶インゴットを製造します。
CZ法(Czochralskimethod =チョクラルスキー法)と呼ばれる製造方法では、次の工程を行います。

1:金属不純物の濃度数がppb以下(1ppb=10億分の1)に高純度化された多結晶シリコンを、ホウ酸(B)やリン(P)とともに石英ルツボに入れて、約1,420℃で融解
2:加える微量のホウ酸やリンといった不純物が、最終的に完成する半導体の電気抵抗を調整し、その特性を決定
3:ルツボ内で融解したシリコンの液面に種結晶シリコン棒をつけ、回転させながら引き上げると、種結晶と同じ原子配列をした単結晶インゴットが完成

また、この工程では、CZ法に強力な磁場をかけるMCZ法(Magnetic field appliedCzochralski法)や、石英ルツボを用いないことで低酸素濃度の単結晶インゴットを成長させるFZ法(Floating Zone法)もあります。

■ウエハー加工工程

先の工程で製造された単結晶インゴットを、次の工程を経てウエハーを製造します。

1:切断(スライシング)
単結晶インゴットを、直径が均一になるように外周研削。その後、オーダーの抵抗率に応じて、内周刃切断機もしくはワイヤーソーを用いて、厚さ1mm程度にスライスし、ウエハー状にします。
2:粗研磨(ラッピング)
ウエハー両面を平行になるように整えながら、所定の厚さに仕上げるため、アルミナ研磨材で粗研磨(ラッピング)します。
3:エッチング
ウエハー表面上についた機械加工によるダメージを取り除くため、化学的なエッチングを行います。
4:研磨(ポリッシング)
ウエハー表面の凹凸をなくし、平坦度の高い鏡面仕上げを行うため、コロイダルシリカ液を用いてメカノケミカル研磨を施します。
5:洗浄・検査
洗浄の後、検査を経てウエハーが完成します。

まとめ

今回はシリコンウエハーとはどんな存在なのか、解説しました。
シリコンウエハーは、半導体に欠かせない材料の一つです。
そして、シリコンウエハーの性能が半導体自体の性能を決めると言っても過言ではありません。
ですから、製造は徹底したクリーンルームで行われますし、非常に厳しい検査が必要となります。

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