シリコンウェーハは、単結晶のシリコンを薄く切り出し、形状と表面を整えた半導体製造用の基板です。その上へ素子や配線を作る前に、原料の精製、結晶育成、切断、研磨、洗浄・検査などを行います。素材ウェーハの製造と、デバイスを作る加工を分けて整理します。
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精製した多結晶Siを単結晶育成の原料にする
自然界の原料をそのまま切り出すのではなく、化学的な処理などで精製し、高純度の多結晶Siから単結晶を育成します。原料の純度と、育成した結晶の方位・欠陥や電気特性は、同じ一つの指標ではありません。
信越半導体の生産工程は、原料の還元・精製、超高純度多結晶Si、単結晶育成を別の段階として紹介しています。どの原料と加工段階かを明示し、純粋なSiの単結晶をそのまま採掘して使う、という説明にしないことが大切です。
CZ・MCZ・FZは結晶の作り方が異なる
CZ法では、融かしたSiに種結晶を接触させ、引き上げながら単結晶を成長させます。原料・温度・引上げなどを管理して結晶を作る工程です。SUMCOは、磁場を用いるMCZや、石英るつぼを使わないFZも、用途に応じる方式として説明しています。
育成時に微量のドープ剤を加え、素材ウェーハの導電型や抵抗率を調整する方法があります。これは素子の特定領域へ不純物を導入する局所的な工程とは目的が異なります。不純物という言葉だけで、意図したドーパントと不要な汚染を同じものと扱わないようにします。
インゴットを切り出して形状を整える
代表的な加工では、外周研削で直径を整えてからスライスし、ウェーハの形にします。切断にはワイヤーソーや内周刃などの方式があり、製品と工程によって選びます。切断した時点の表面は、そのまま最終の鏡面品質とは限りません。
後のラッピングなどでは、厚さや平行性、加工による表面状態を整えます。表面の加工ダメージを除くエッチングなども組み合わせます。具体的な順序や方法は製品で異なるため、どの工程も必ず同じ回数・条件で行うと一般化しません。
研磨と洗浄は異なる目的で行う
鏡面仕上げには、化学的な作用と機械的な除去を組み合わせる研磨を用います。研磨は表面材料を加工し、洗浄は汚染を管理する操作として区別します。SUMCOは、コロイダルシリカ液を用いたメカノケミカル研磨を紹介しています。
研磨を単に不純物を溶かす工程とは説明しません。平坦度、粗さ、残る加工ダメージなどは必要な指標で確認します。洗浄・検査でも、粒子や汚染、表面状態を確かめます。研磨や洗浄を行っただけで、完成するデバイスの速度、電力効率、寿命が保証されるわけではありません。
出荷仕様は材料・電気・形状・表面を分けて読む
高純度という一つの値だけで仕様は決まりません。対象製品に必要な項目を定め、素材ウェーハとして満たすべき品質を確認します。結晶方位は結晶の向きに関する仕様であり、ウェーハの直径や平坦度とは別です。
| 仕様の軸 | 確認する対象の例 |
|---|---|
| 材料・結晶 | Siの状態、結晶方位、必要な欠陥等の管理 |
| 電気的な特性 | 導電型、抵抗率とその分布 |
| 形状 | 直径、厚さ、反りや平坦度 |
| 表面 | 粗さ、粒子・汚染と検査条件 |
用途に応じて、表面へ単結晶層を成長させたエピタキシャルウェーハや、内部に絶縁層を持つSOIなどの製品もあります。素材基板の仕様と、後に形成する素子構造を対応させ、名称だけから全用途への適合を判断しないことが重要です。
まとめ
素材のシリコンウェーハは、精製原料からの単結晶育成と、切断・形状加工・研磨・洗浄・検査を組み合わせて作られます。電気特性、結晶、形状、表面を分けて仕様を読み、素材製造と素子形成の工程を区別して理解しましょう。
