【創造栽培プログラム】チップスはなぜ丸い形にならないのか？

著者: 周磊

電子機器に詳しい人でもそうでない人でも、「チップ」という言葉はほとんどの人が知っていると思います。テレビ、冷蔵庫、エアコンなどの大型家電から、携帯電話、時計、カミソリなどの小型家電まで、私たちの身の回りのあらゆるところに電気が溢れています。しかし、どんなデバイスであっても、内部のチップは長方形の形状をしています。チップはなぜ丸型や他の形で作られないのでしょうか?

この問題を説明するには、まずチップ製造から始める必要があります。

チップ製造には主に 4 つのプロセスがあります。上流のIC（集積回路）設計会社は要求に応じて回路図を設計し、シリコンウエハー製造会社はシリコンウエハーを製造します。中流の IC 製造会社は、設計された回路図をシリコン ウェハーに移植し、最終的にウェハーを下流の IC パッケージング工場に送り、パッケージングとテストを行います。

チップが長方形である主な理由は、ウェハー製造プロセスによるものです。チップの主成分はシリコンです。ありふれた砂を金よりも高価なチップに変えるには、まずシリコンを精製する必要があります。高温加熱、精製、濾過などの工程を経て、二酸化ケイ素から高純度のポリシリコンを抽出できます。その後、ポリシリコンは、極めて高純度で、構造が安定し、電気特性が良好で、チップの製造に適した単結晶シリコンに変換されます。この一連のプロセスに現在業界で使用されている主な方法は、1918 年に旧ソ連の科学者チョクラルスキーによって発明された CZ 法です。

CZ法では、珪砂からポリシリコンを抽出した後、石英るつぼに入れて高温で溶かします。次に、小さな種結晶、つまり結晶シードを溶液の中に入れます。シリコン溶液が単結晶シリコンシードに当たると、シリコンシードの尾部で整然と成長します。回転と引き上げ速度を制御することで、さまざまなサイズの単結晶シリコン棒を溶液から引き出すことができます。回転引きのため、引き出された単結晶シリコン棒はすべて円筒形であり、そこから切り出されたシリコンウェハーも円形であり、「ウェハー」と呼ばれます。チップはウェハーから切り出されます。

単結晶シリコンの製造工程は非常に複雑なので、商品としては、当然のことながら、そこから切り出せるチップの数が多いほど良いものになります。したがって、チップを正方形にカットすることが、利益を最大化する選択肢となります。

そこで疑問なのは、単結晶シリコン棒を他の形状にするために他の方法を使用した場合、チップも他の形状にできるかどうかです。

実際のメリットを考慮しなければ、単結晶シリコン棒を他の形状にすることは理論的には可能です。直接引き上げ法のほかに、ゾーン溶融法などシリコン棒を製造する他の方法もあるからです。しかし、他の形状のシリコン棒を製造できたとしても、その後の工程により、切断されたシリコンウェハーは円形しか得られません。

シリコンウェハーを切り出した後、フォトリソグラフィーの前にシリコンウェハー上にフォトレジストを塗布する必要があるためです。現在業界で使用されている「スピニング法」は、シリコン ウェーハの中央にフォトレジストを塗布し、シリコン ウェーハを回転させるだけです。シリコン ウェハーが他の形状の場合、場所によっては接着剤が多くなり、他の場所では接着剤が少なくなり、塗布が不均一になる可能性があります。これは、どの方向でも軸対称の円では発生しません。

したがって、他の形状の単結晶シリコン棒が製造されたとしても、最も利益率の高い方法は、シリコンウェハーを円形に切断することであり、そこから切り出されたチップは当然正方形になり、最も利益率が高くなるでしょう。

さらに、水平および垂直切断方法により、正方形製品の歩留まりも最高になります。曲線切断には、より高い機械精度とより高いコストが必要となり、コストに見合いません。

要約すると、単結晶シリコン棒の製造方法によってシリコンウェーハの形状が円形になることが決定され、円形のシリコンウェーハによってチップの形状が四角形になることが決定されます。さらに、フォトレジストの塗布やフォトリソグラフィーなどの後続の処理技術はすべて「ウェーハ」の標準設計に基づいているため、正方形のチップは最も恩恵を受ける従来の結果です。もちろん、将来的には他の形状のシリコン ウェハーやチップも登場するのでしょうか?現状から判断すると、それは可能ですが、必須ではありません。

参考文献

[1]秘密を明かせ！チップの設計と製造の全プロセス

https://www.hisilicon.com/cn/about-us/press/news/chip-design-and-manufacturing

[2] チップ製造工程の各ステップの詳細な説明

https://www.guancha.cn/TMT/2017_06_26_415071.shtml

[3] AppleとHuaweiはどちらも接着チップを使用していますが、これはウェハが丸すぎるためです。

https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_17570832

[4]シリコンウェハーはなぜ四角くないのか？

https://www.iszcc.com/news/info12.html

この記事は科学普及中国創造育成プログラムによって制作されました。転載の際は出典を明記してください