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前回は、チップの機能、半導体の役割、シリコンの利点などを紹介しました。チップを作るには、十分に純度の高いシリコンウエハーを作る必要があります。そこで今日は、十分に純粋なシリコンウエハーの作り方について引き続きお話ししましょう。これは人間の知恵が浸透した長い物語です。

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01

原材料の精製

石英砂 → シリコン

料理が上手な人は米なしでは料理ができません。純粋なシリコンウエハーを製造したい場合、まず必要なのは純粋なシリコン原料です。砂をコークス、石炭、木材チップと混ぜ、その混合物をグラファイトアーク炉に入れて高温で加熱します。 1900°C を超える温度では、石英砂はさまざまな化学反応によってシリコンに還元されます。その中でも主な化学反応は以下のとおりです。

SiO2+C=Si+CO2↑

SiO
2+2 C=Si+2 CO↑

石英砂、ギャラリーからの著作権画像、無断複製

難しくはなさそうですし、純粋なシリコンはほんの数回の化学反応で生成できます。しかし、実際には、シリコンの純度は現時点では98％までしか達せず、シリコンウエハーの原料となるにはまだ程遠く、さらなる精製が必要です。

液化と精製

精製プロセスにおいて、最も一般的に使用される方法の 1 つは液化です。液体精製は固体精製よりもはるかに簡単で、方法もより多くあるからです。したがって、次のステップは、粗シリコンを塩素化して、四塩化シリコン (SiCl4) やトリクロロシラン (SiHCl3) などの塩化物を形成することです。これらは両方とも室温では液体です。

四塩化ケイ素またはトリクロロシランを複数回蒸留し、他の液体で精製することで、超純粋な塩化物溶液を得ることができます。最後に、高純度塩化物を化学的に還元することで、純度 99.9999999% を超えるチップグレードのポリシリコンが得られます。

SiCl4+2H2→4HCl+Si

高純度ポリシリコン、ギャラリーからの著作権画像、転載禁止

これでシリコン原料を作る工程は終わりでしょうか？全くない！高純度の多結晶シリコンが生産されているが、チップの製造に使用するシリコンは単結晶シリコンでなければならない。両者はたった 1 文字しか違わないにも関わらず、内部の原子の配列には大きな違いがあります。単結晶シリコンの結晶骨格構造は均一で、シリコン原子は整然と配列されています。一方、多結晶シリコンではシリコン原子の配列が乱れています。

単結晶シリコン（左）と多結晶シリコン（右）の模式図（王志豪による描画）

これは、作業員がアスファルト道路を舗装するときに、アスファルトの最上層を流し込む前に、まず土で地面を平らにし、基礎を固めなければならないのと同じです。基礎が十分に平らでない場合、上部のアスファルト道路に穴やひび割れが生じます。シリコンウェーハについても同様です。シリコンウェーハの構造が乱れている、つまり格子欠陥がある場合、ドーピング後、各部品の電気特性が大きく異なり、上位ロジック回路にも大きな欠陥が生じます。したがって、チップ製造には単結晶シリコンを選択する必要があります。

02

ポリシリコンから単結晶シリコンへ

多結晶シリコンを単結晶シリコンに変換するにはどうすればよいでしょうか?これには特別な技術が必要です。

多結晶シリコンを単結晶シリコンに変換する最も一般的な方法はCZ法（以下、CZ法）です。直接引き上げとは、シリコン棒を「マグマ」から直接引き上げることを指します。これはシリコンウェーハ製造における最も重要なプロセスステップであり、シリコンウェーハの品質と純度を決定します。

ステップ1：超高純度ポリシリコンの溶解

CZ ストレートプル法の最初のステップは、超高純度ポリシリコン材料をるつぼに入れ、密閉された熱場で 1420°C まで加熱してポリシリコンを溶かすことです。

ポリシリコンの溶融、画像出典：シリコンウェーハ製造シミュレーションアニメーション

ステップ2：「種結晶」を追加する

いわゆる種結晶とは、成長したシリコン棒の種となる、目的の結晶と同じ小さな結晶のことを指します。ここでは高純度の単結晶シリコンの小片を指します。種結晶はシリコン棒の「子」であり、通常はシリコン棒の品質の良い部分から採取されます。この時点で、世界初の結晶の種はどこから来たのか、興味があるかもしれません。種結晶とシリコン棒のどちらが先にできたのでしょうか?

これは鶏が先か卵が先かという質問に似ていますが、答えるのは簡単です。コストを考慮しない研究室では、高純度の種結晶を簡単に得ることができます。一般的な研究室では、化学気相成長法などの方法によって超高純度の単結晶シリコンを得ることができます。したがって、種結晶とシリコン棒のどちらが先にできたかという問題では、「卵」が先にできたことになります。

種結晶の挿入、画像出典：シリコンウェーハ製造シミュレーションアニメーション

ステップ3: 引き出して回転させる

CZ 法の 3 番目のステップに戻ると、種結晶は「マグマ」からゆっくりと垂直に引き出され、回転します。結晶は種結晶の下端で成長し、種結晶が引っ張られるにつれて徐々に大きくなり、結晶棒を形成します。成長した結晶と種結晶の特性は同じで、どちらも単結晶シリコンです。

垂直に伸ばして結晶棒を形成します。画像出典: シリコンウェーハ製造シミュレーションアニメーション

この方法は単純に聞こえますが、実際にはあなたが思っているよりもはるかに困難です。極めて均一性の高いシリコン棒を作製するには、マグマ状のシリコン「ペースト」が入ったこの大きな鍋を常に安定した温度に保つ必要があります。同時に、シリコン棒の引き上げ速度と回転速度も極めて安定していることが求められます。さらに、結晶引き上げプロセス全体を高温および負圧の環境で実行する必要があります。

現在、ウエハーの直径は、従来の4インチ（1インチ＝2.54cm）から現在の12インチ、さらに将来的には18インチへとどんどん大きくなっています。人々はより大きな直径を追求しています。これは、シリコンウェハの直径が大きいほど、同じシリコンウェハからより多くのチップを製造できるため、コストが削減されるためです。

しかし、シリコン ウェーハの直径が大きくなると、製造の難易度が指数関数的に増加します。まず、シリコンウェーハに相当する結晶棒の直径を太くする必要があるため、加熱に用いられる熱場の大きさもそれに応じて大きくする必要があり、マグマの対流もより複雑になります。同時に、固液界面の温度勾配や酸素濃度分布の制御が難しくなり、結晶引き上げの制御要件もより複雑になります。

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しかし、賢い人たちは、従来の CZ デバイス システムに磁場を追加することで、これらの問題を完璧に解決しました。溶融シリコンは電気を伝導するため、磁場と流れの相互作用によって発生する力の影響を受け、「マグマ」の対流が変化する可能性があります。さらに、適切な磁場分布の下では、結晶成長プロセスによって、るつぼを通してシリコン溶融物に酸素、ホウ素、アルミニウムなどの不純物が混入するのを減らすことができ、それによって酸素含有量を制御でき、均一性が向上した高抵抗シリコン棒を製造することができます。

従来のCZストレートプル法に磁場装置を加えたこの加工法を磁気制御CZ単結晶製造法（以下：MCZ法）と呼びます。これらのカスタマイズされた利点により、これは現在主流のプロセス技術にもなっています。 MCZ 法は、適用される磁場の違いに応じて、縦磁場法、横磁場法、カスプ磁場法に分けられます。名前が示すように、適用される磁場の方向は異なります。それらは異なる機能を実現でき、異なる特性を持ちます。

縦磁場法、横磁場法、カスプ磁場法の模式図

（画像提供：グローバルウェーハズジャパン）

結晶棒の引抜工程は、技術的難易度が高く、複雑な体系的な制御工程であり、長期間にわたる経験の蓄積と最適化が必要です。現在、単結晶シリコンの製造には、CZ法の他に浮遊帯域溶融法（以下、FZ法という）も行われている。サスペンデッドゾーン溶融法では、熱エネルギーを使用してロッドの一端に溶融ゾーンを作成し、種結晶を溶かします。温度を調整することで、溶融領域はゆっくりとロッドの反対側の端に移動し、ロッド全体を通過して、種結晶と同じ方向に単結晶に成長します。

CZ 法と FZ 法にはそれぞれ長所と短所があります。

直接引き上げ法の利点は、生産されるシリコンの酸素含有量が高く、機械的強度が大きく、大型のシリコン棒を作りやすいことです。同時に、チョクラルスキー法はコストが低く、結晶の成長速度が速いという特徴があります。そのため、現在では単結晶シリコンウエハーの約85%がチョクラルスキー法で製造されています。

ただし、FZ 方式にも独自の利点があります。例えば、 FZ法で作製された単結晶シリコンの抵抗率は非常に高く、検出器や整流器などの高出力デバイスに特に適しています。また、FZ浮遊帯域溶解法では、るつぼによる汚染が回避されるため、単結晶シリコンの純度をより高くすることができます。しかし欠点は、生産されるシリコン棒のサイズが小さく、最大のものでも8インチしかなく、さらに大きくするのが難しいことです。

FZ法の概略図、出典：グローバルウェーハズジャパン

上記の製造工程を完了した後、最終的にほぼ純粋なシリコン棒が得られました。次に、次の処理段階に入ります。

03

シリコンロッドの切断と研磨

次にシリコン棒を頭と尾から切り離し、良質のシリコン棒を「種結晶」に切り分けて次の成長に使用します。まっすぐに引き出されたシリコン棒は完全な円筒ではないため、残りのシリコン棒は適切なサイズに切断され、機械に入れられ、ゆっくりと転がされて側面が磨かれ、必要な半径と形状が形成されます。

シリコン棒の切断、著作権のある画像、無断複製

次に、粉砕されたシリコン棒をスライスに切断します。かつて、シリコン棒を切るのは、家庭でラム肉のスライスを一枚ずつ切るようなものでした。切断面は滑らかでしたが、効率が低すぎました。現在では、ダイヤモンドワイヤマルチワイヤ切断機の使用が増えており、1回に切断されるスライスの数はダイヤモンドワイヤの数に連動しています。切断面は従来の内円切断機ほど滑らかではありませんが、より効率的です。

マルチワイヤーカッティング、画像提供：Global Wafers Japan

切断されたシリコンウェハーは、表面をより滑らかにするために機械研磨されます。一部のシリコン ウェハーでは、後続のプロセスで追加された不純物を裏面に閉じ込めてデバイスを保護できるように、人工的に欠陥を作り出すために裏面を粗くする必要もあります。さらに、エッジの割れを防ぎ、その後のフォトリソグラフィーを容易にするために、シリコン ウェーハのエッジを円弧状に研磨する必要があります。

研磨後、硝酸またはフッ化水素酸に入れて化学エッチングを行い、前回の研磨工程でシリコンウェーハに蓄積された機械的損傷やシリコンウェーハの表面に混入した研磨剤を除去します。

研磨やエッチングなどの一連の工程を経て、シリコンウエハーの表面は鏡のように滑らかになりますが、チップ製造にはまだ不十分です。

研削とエッチング、画像提供：Global Wafers Japan

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シリコンウェーハの研磨と洗浄

シリコン ウェハーの表面はレンズのように滑らかになりましたが、物理的研磨法と化学的研磨法を組み合わせた工程である化学機械研磨をまだ行う必要があります。まずシリコン ウェハーを回転研磨装置の上に置きます。表面の薄い層は研磨液によって化学的に酸化され、その後研磨パッドによって物理的に研磨され、シリコン ウェハーはほぼ完璧な鏡面になるまで研磨されます。

化学機械研磨および洗浄、画像提供：Global Wafers Japan

このステップの後、シリコン ウェーハの平坦度は非常に高いレベルに達します。 12 インチのシリコン ウェハの平坦度は 51 ナノメートル以内に制御する必要があります。この平坦さはほとんどの人には理解できないかもしれませんが、これを何百万倍にも拡大すると、北京から上海までの距離を直径25センチメートル以内とする円内の最大変動に相当します。

その後、製造工程中にシリコンウェーハの表面に付着したさまざまなほこりや不純物を除去するために、シリコンウェーハを脱イオン水と各種化学溶剤で洗浄する必要があります。これらの粒子はチップ製造プロセスに影響を及ぼし、デバイス内で短絡や断線を引き起こしやすくなります。

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最後に、シリコン ウェハーを検査する必要があります。一方で、重要なウェーハの平坦性と表面の清浄度（粒子なし）を保証する必要があります。一方、ウェーハの品質を保証するためには、反り、酸素含有量、金属残留物などの指標が基準を満たす必要があります。電子顕微鏡検査や光散乱検査などの各種試験に合格したシリコンウエハーは、清潔な輸送箱に入れられ、特殊な防湿袋に密封され、他の工程のために次の工場へ安全に送られます。

これを見ると、誰もがほっと一息つくかもしれません。シリコンウエハーの準備工程がようやく終わりました。しかし残念ながら、これでは白紙しか作成されません。シリコン ウェハーは、数百個のチップを含むウェハーになるまでに、リソグラフィー、エピタキシー、エッチングなどの一連の操作を経る必要があります。その後、独立したチップになって市場に投入される前に、切断してパッケージ化する必要があります。

一見取るに足らないシリコンチップに、これほど複雑な製造プロセスがあることに驚かれるかもしれません。しかし同時に、我が国のシリコンウエハー製造技術の発展についても興味があるのではないでしょうか?私の国のシリコンウエハー産業の割合はどのくらいですか?詳細は次回のエピソードを聞いてください。

制作 |科学普及中国

著者: 王志豪 (中国科学院長春光学・精密機械物理研究所)

プロデューサー｜中国科学博覧会

提出者: 中国科学院コンピュータ情報ネットワークセンター

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