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ウェハーあるいはウェーハ(wafer)とは、半導体素子製造の材料である。高度に組成を管理した単結晶シリコンのような素材で作られた円柱状のインゴットを、薄くスライスした円盤状の板である。

◆ 形状

ウェハーの直径は50mm-300mmまでいくつかあり、この口径が大きいと1枚のウェハから多くのICチップを切り出すことができるため、年と共に口径は大きくなっている。2000年頃から直径300mmのシリコンウェハーが実用とされはじめ、2004年にはシリコンウェハ生産数量の20%程を占めた。

ウエハーの厚さは、製造工程での取り扱いの簡便さから0.5mm-1mm程度に作られており、一般のシリコンウェハーの場合、外寸はSEMI(Semiconductor Equipment and Materials International)等の業界団体で標準化されており、直径150mm(6インチ)の場合は厚さ0.625mm、200mm(8インチ)では厚さ0.725mm、300mm(12インチ)では厚さ0.775mmとされている。厚み公差は±0.025mmである。

工程中でウェーハの向きを合わせるために、オリフラまたはノッチとよばれる切り欠きがある。また、結晶構造が製造する半導体素子の動作に最も適した方向となるように、ウェーハは特定の結晶方位に沿ってスライスされていて、導電型と結晶方位によってオリフラを切り欠く位置が決まっている。

◆ 製造工程

ここではシリコンウェハーの一般的な製造工程を記す。

シリコンウェハーの製造に用いられる高純度ケイ素の製法はケイ素#製法に記述がある。

◇ シリコン精製

ノルウェーやブラジルで産出した純度の比較的高い石英を還元して、純度98%程度の金属シリコンを作る。これを粉砕して塩素ガス(HCl)と反応させて、モノシラン(SiH₄)やトリクロロシラン(SiHCl₃)を作る。この過程で金属性の不純物はAlCl₃やFeCl₃のような塩化物として蒸発させトリクロロシランと分離することで金属性の不純物を1ppba(parts per billion atomic)以下まで取り除く。トリクロロシランは高純度の水素とCVD装置中に導入することで単体のシリコンを析出させ、高純度の多結晶シリコン・ロッドを得る。

◇ 単結晶成長

高純度多結晶シリコン・ロッドは砕いて粗い粒状とし、一度洗浄した後、チョクラルスキー法(Cz法)、又は、フローティングゾーン法(FZ法)によって単結晶のインゴットが作成される。

・ チョコラルスキー法(Czochralski法、CZ法)

: 材料となる粗く砕かれた高純度多結晶シリコンは、石英のるつぼに詰められる。この段階で最終的な半導体の特性を決める微量の導電型不純物である、P型ならホウ素(B)を、N型ならリン(P)やアンチモン(Sb)を加えておく。石英るつぼは不活性ガスで満たされた炉内に納められると、周囲からカーボンヒーターで加熱されて多結晶シリコンはやがて溶融する。溶けたシリコン液相表面の温度は溶解温度となるように厳密に管理され、その表面中心にピアノ線で吊るされた種結晶を接触させた後、ゆっくりと回転させながら引き上げていく。種結晶が接触した下部ではわずかに冷やされたシリコンが固体となって析出し種結晶の結晶配列を引き継いで溶解シリコン表面との間に成長してゆく溶解シリコンから引き上げて成長させる過程で、引き上げ速度を少し上げたり溶解シリコンの温度を少し上げると結晶径が減少し、その逆は結晶径が拡大する。。

: 種結晶はそれまでに作ったシリコン単結晶の残余であるが、内部に原子配列の転位が含まれている可能性があるため、下に成長してゆくシリコンへこの乱れが引き継がれないように「種しぼり」(ネッキング)と呼ばれる意図的に3-5mm程度まで細くした部分を作る。この種しぼりによって結晶に転位が存在していても熱拡散によって転移が上方に移動するので無転位となる。また、結晶欠陥は転位が表面に移動することで結晶界面のエネルギーを減じることも欠陥が排除されることになる。種しぼり後は、るつぼの温度を下げて溶解シリコンを過冷却状態にする。望む口径のインゴット2000年代後半現在最新の直径300mmインゴットは重さ350kgにもなる。となるように、溶解シリコンの温度、引き上げ速度、回転数を調整しながらゆっくりと回転させて引き上げていく。

: 石英製るつぼの表面から溶解シリコン中に酸素が混入するが、多くがSiOとして融解シリコン表面からガスとなって蒸発し炉壁などに付着して微粒子となる。この微粒子が再び融解シリコン表面に落下して結晶内に取り込まれると転位結晶となるため、炉の上部からアルゴンガスを導入して真空ポンプで吸引しSiOガスを排除することでこの影響を小さくする。また、炉壁から対流によって直接、結晶中に取り込まれる酸素を少なくするために、超伝導電磁石による静磁場を炉内に印加して溶解シリコン内の対流を抑制するMCZ法(Magnetic CZ法)が使われる。また、融解シリコンから出たSiOガスが炉内のヒーターとして使われるグラファイトと反応してCOやCO2が発生している。これを放置すると融解シリコンに溶け込み結晶中に取り込まれて炭素濃度を高めることになるのでこのためにもアルゴンガスで排気されている偏析係数が1より小さい炭素(0.07)や窒素(7×10_-4)、ボロン(0.8)、リン(0.35)といった不純物の濃度は結晶の成長に従って石英るつぼ中の融解シリコン液の減少により徐々に濃くなるため、結晶成長初期より終期の方が結晶中に取り込まれる不純物の濃度は高くなる。偏析係数が1より大きい不純物はこの逆の効果が起きる。酸素の偏析係数が1より大きいか小さいかは結論が出ていない。ドーパントとしてリンよりボロンが選ばれるのは偏析による偏りが比較的小さいためである。。

: CZ法は大口径の単結晶が作りやすく、21世紀現在では量産半導体で使用される[外部リンク]100方位の大口径ウェハー用の単結晶インゴットは、すべてこの方法により作られている。例外として結晶の成長方向にそって抵抗率の変化が大きいという問題により、パワーデバイスにはあまり用いられない。

・ フローティングゾーン法(Floating Zone法、FZ法)

: 多結晶シリコンのインゴットを部分的に溶融しながら単結晶化を行う方法でゾーンメルト法の一種。結晶の成長方向の不純物分布が一定であり、また酸素濃度が非常に少ないという利点があるが、結晶の半径方向の抵抗率分布にばらつきがあるため、中性子照射により抵抗率の均一化が図られる。

◇ ブロック切断・外周研削

インゴットの両端部(トップとテール)を切断し外周を研削して、長い物は適切な長さで切断され所定の直径を持った長さ30cm-50cmの円柱状の「ブロック」を作る。

◇ 方位加工

X線方位測定によって結晶方位を測定し、後の工程で方位が判るように所定の位置に「オリエンテーションフラット」(OF)又は「ノッチ」を刻み込む。

◇ スライシング

ブロックをカーボン台に接着してから、ダイシングソー、ワイヤーソー、又は内周刃ブレード(ID-Saw)でウエハー状に切り出す。直径300mmのブロックは、通常、マルチ・ワイヤーソーによって1度に最大200枚の切断が行なわれる。

◇ ベベリング

シリコンは固くてもろく、ウエハーの端面がスライシング時の鋭利なままでは、続く処理工程での搬送や位置合わせなどの取り扱い時に容易に割れたり欠けたりして、断片がウエハー表面を傷つけたり汚染したりする。これを防ぐため、ベベリング工程では切り出されたウエハーの端面をダイヤモンドでコートされた「面取り砥石」で面取りする。

ラッピング工程の後に行なわれることもある。

この時、バラツキのある外周の直径を合わせ、オリエンテーションフラット(OF)の幅の長さを合わせる事も含まれる。ベベリング工程で使用される装置はべべリングマシンと言われ、日本メーカーのEMTEC.co.ltdの装置がシェアを多くを占めている。

◇ ラッピング

ラッピング工程では、鋳物製の上下2枚の定盤間にウエハーとステンレス製キャリアを挟み込み、そこにアルミナかシリコンカーバイドの砥粒を含んだラップ液を流し込みながら擦り合わせて、スライシング工程で時にできた表面の凹凸を除去しながら厚さ揃え、また表裏面の平行度も高める。

キャリアは、求めるウエハー厚よりやや薄い、外周にギアを持つドーナツ状のステンレス板であり、ギアによって周囲から回転が与えられドーナツ内に収まったウエハーに回転運動を伝える。

◇ エッチング

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