ウェーハとは？半導体の土台となる材料の種類・製造工程・品質基準を解説！

自動車や産業機械の電子化が進み、製造業の現場でも半導体に触れる場面が増えました。部材の調達や技術資料の読み込み、取引先との打ち合わせでは、半導体材料の基礎知識が前提になります。一方で、ウェーハの材料や製造工程は専門性が高く、知識が断片的なままになりがちです。

ウェーハは半導体製造の出発点であり、最初に押さえておきたい材料です。この記事では、ウェーハの定義から種類・製造工程・品質水準までを解説します。記事を読めば、半導体材料としてのウェーハの全体像を短時間で整理できます。ウェーハとは、半導体デバイスや電子・光学デバイスの基板として使われる薄い円板状の材料です。

ウェーハとは、半導体デバイスの基板になる円板状の薄い材料のことです。高純度のシリコン(ケイ素)から切り出した円板が代表的で、表面に微細な回路を形成すると半導体チップになります。ウェーハ・チップ・半導体製品の違いを以下の表にまとめました。

ウェーハ・チップ・半導体製品の違い

ウェーハの基本を以下の3つの観点から解説します。

・半導体製造におけるウェーハの役割
・ウェーハの口径と厚さの目安
・「ウェーハ」「ウエハー」「ウェハ」の表記の違い

半導体製造におけるウェーハの役割

ウェーハは、半導体チップの回路を作り込むための土台です。ウェーハの表面に微細な回路パターンを形成し、完成したウェーハを小さく切り分けると、1枚のウェーハから多数の半導体チップが取れます。スマートフォンから自動車まで、電子機器の中核となる半導体の出発点がウェーハです。

ウェーハの品質は、完成する半導体の性能に影響します。基板のわずかな欠陥や異物が、微細な回路の不良の原因になるためです。

ウェーハの口径と厚さの目安

半導体用シリコンウェーハの口径は、直径100〜300mmが中心です。大手ウェーハメーカーの信越半導体は、シリコンのインゴットを直径100〜300mmのウェーハに加工しています。インゴットとは、円柱状に固めた結晶の塊のことです。

厚さの目安は、切り出しの時点で1mm程度です。大手ウェーハメーカーでは、インゴットを厚さ1mm程度にスライスしてウェーハに加工しています。

最先端の半導体に使われるのは、直径300mmの大口径ウェーハです。

「ウェーハ」「ウエハー」「ウェハ」の表記の違い

「ウェーハ」「ウエハー」「ウェハ」は、いずれも英語のwaferを指す同じ言葉です。業界内でも表記は統一されておらず、企業ごとに使い分けが分かれています。主要メーカーの公式サイトにおける表記は、以下のとおりです。

・主要メーカー：「ウェーハ」
・信越半導体：「ウエハー」
・計測機器メーカーなど装置関連企業の技術解説：「ウェハ」

資料によって表記が違っても、指している部材は同じです。本記事では「ウェーハ」の表記に統一して解説します。

ウェーハの材料はシリコンだけではありません。デバイスの用途や求める特性に応じて、複数の材料が使い分けられています。材料によるウェーハの主な種類は、以下の3つです。

・シリコンウェーハ
・サファイアウェーハ
・化合物半導体ウェーハ

シリコンウェーハ

シリコンウェーハは最も広く使われているウェーハで、ウェーハ全体の90%を占めています。原料は高純度のシリコン単結晶です。単結晶とは、原子の並びが全体で規則正しくそろった結晶を指します。結晶の欠陥が半導体の品質に直結するため、基板には欠陥の少ない単結晶が必要です。

パソコンや携帯電話に搭載される半導体チップは、シリコンウェーハから作られています。半導体の話題でウェーハと言うときは、シリコンウェーハを指している場合がほとんどです。

サファイアウェーハ

サファイアウェーハは、酸化アルミニウムを材料とするウェーハです。高温にさらされても性質が安定しており、薬品に対する化学的な安定性にも優れています。

サファイアウェーハの主な用途は、LEDの基板や光学部品です。発光や光の透過に関わるデバイスでは、シリコンではなくサファイアが土台に選ばれています。

化合物半導体ウェーハ

化合物半導体ウェーハは、複数の元素を組み合わせた化合物半導体から作られるウェーハです。化合物半導体とは、シリコンのような単一の元素ではなく、2種類以上の元素を組み合わせた半導体材料を指します。代表的な材料には、SiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)、GaAs(ガリウムヒ素)があります。

化合物半導体ウェーハの特徴は、高速動作・低消費電力・耐熱性に優れる点です。特性を生かして、LEDや太陽電池、レーザーに活用されています。

シリコンウェーハは、多くの工程を経て完成します。ウェーハメーカーのグローバルウェーハズ・ジャパンは、製造プロセスを13段階に分けて公開しています。全体の流れを大きくまとめると、以下の4段階です。

1.単結晶インゴットの製造
2.スライスと面取り
3.研磨とエッチング
4.洗浄・検査・梱包

単結晶インゴットの製造

最初の工程は、単結晶インゴットの製造です。代表的な製造方法は、CZ法(チョクラルスキー法)と呼ばれる引き上げ法です。CZ法では、次の手順で単結晶を育てます。

1.高純度化した多結晶シリコンを石英ルツボ(耐熱容器)に入れる
2.約1420℃で融解させる
3.種結晶と呼ばれる小さな単結晶の棒を液面につける
4.回転させながらゆっくり引き上げる

多結晶とは、向きの異なる小さな結晶が集まった状態の結晶です。融けたシリコンが種結晶に倣って固まり、種結晶と同じ原子配列を持つ単結晶が円柱状に成長します。直径300mmのウェーハ用の結晶は、長さ2m・重さ300kgを超える大きさです。

用途に応じて、磁場をかけながら引き上げるMCZ法や、ルツボを使わないFZ法も使われています。

スライスと面取り

完成したインゴットは、外周を研削して直径を均一に整えます。直径を整えたインゴットを、ワイヤーソーまたは内周刃切断機で厚さ1mm程度にスライスするとウェーハの形になります。ワイヤーソーとは、細い金属線を高速で動かして材料を切断する装置です。

スライスしたウェーハは、端面をダイヤモンド砥石で円弧状に研削します。面取り(ベベル加工)と呼ばれる工程で、端面を円弧状に整えると以降の工程でウェーハの縁が欠けにくくなります。

研磨とエッチング

スライス直後のウェーハの表面には、細かな凹凸と機械加工によるダメージが残っています。表面を仕上げる主な工程は、以下の3つです。

・ラッピング：アルミナ研磨材による粗研磨で、両面の平行度と厚さを整える
・エッチング：酸またはアルカリの薬品で、機械加工によるダメージ層を取り除く
・ポリッシング：コロイダルシリカ液を使ったメカノケミカル研磨で、表面を鏡面に仕上げる

メカノケミカル研磨とは、機械的な研磨と化学反応を組み合わせた研磨方法のことです。3つの工程を経ると、ウェーハの表面は鏡のような平滑面になります。製品によっては研磨後に高温の熱処理(アニール処理)を行い、結晶の育成中に生じた微小な欠陥を消滅させます。

洗浄・検査・梱包

仕上げの済んだウェーハは、化学薬品と超純水で洗浄されます。超純水とは、不純物を極限まで取り除いた水です。表面に残ったわずかな汚れや微粒子も、洗浄工程で取り除かれます。

ウェーハの洗浄後は検査工程に進みます。外観のほか、平坦度・比抵抗・付着している微粒子の数が検査の対象です。比抵抗とは、材料の電気の通しにくさを表す値を指します。検査に合格したウェーハは、清浄なケースと特殊な袋に梱包されて出荷されます。

ウェーハには、一般的な工業製品とは桁違いの品質管理が求められます。表面に作り込む回路は微細で、基板に残る不純物や凹凸が不良に直結するためです。シリコンウェーハの品質を決める代表的な指標は、以下の3つです。

・原料純度・ドーパント・抵抗率
・TTV・Bow・Warpなどの平坦度
・表面の微粒子・金属・有機物などの清浄度

原料純度・ドーパント・抵抗率

シリコンウェーハの原料になる半導体級(EG)の多結晶シリコンの純度は、99.999999999%です。9が11個並ぶことから、イレブンナインとも呼ばれています。不純物の量に置き換えると、金属不純物の濃度は10億分の1(ppb)以下です。

純度だけでなく、結晶の中身の管理もシリコンウェーハの品質の前提です。信越半導体の白河工場では、結晶に含まれる酸素の濃度や電気抵抗の値まできめ細かにコントロールした単結晶づくりが行われています。

TTV・Bow・Warpなどの平坦度

シリコンウェーハの表面には、うねりのない平坦さが求められます。表面にうねりや凹凸があると、微細な回路を均一に作り込めないためです。

平坦度の水準は300mmウェーハを東京ドームの広さに拡大したとき、表面の高低差が0.1mmあるかどうかのレベルとされています。日常の感覚では捉えられない精度で、シリコンウェーハの表面の平坦さが管理されています。
こうした極微細な凹凸を除去するため、ウェーハ製造の最終段階ではCMP（化学的機械的研磨）工程による高精度な平面仕上げ加工が行われます。しかし、「ナノレベルで平坦になっているか」を正確に測ることは、加工そのものと同等かそれ以上に難しい技術課題です。
これほどシビアな平坦度を可視化し、要求精度を満たしているか担保するためには、極めて精度の高い専用の測定装置が不可欠です。実際に最先端の測定現場ではどのような技術が使われているのか、その具体的なソリューションの一例として、黒田精工株式会社の「精密平面度測定装置」などが挙げられます。目視や従来の汎用機器では不可能なナノレベルの検査をクリアしたものだけが、次世代デバイスを支える基板として出荷されていくのです。

表面の微粒子・金属・有機物などの清浄度

表面に付着する微粒子の管理は、ナノメートル単位です。300mmウェーハに対して直径20nm(ナノメートル)の微粒子を数個に抑えるレベルが要求されています。1nmは、1mmの100万分の1にあたる長さです。

製造環境の管理も徹底されています。ウェーハの製造現場では、0.1μm(マイクロメートル)ほどの塵まで除去の対象です。1μmは1mmの1000分の1の長さで、塵のほかに金属イオンや油分などの汚染物質への対策も欠かせません。

同じシリコンウェーハでも、仕上げの加工によって複数の製品タイプに分かれます。デバイスの用途や求める特性に応じた使い分けが必要です。主なシリコンウェーハ製品は、以下の表のとおりです。

エピタキシャル・ウェーハの気相成長とは、ガス状の原料から基板の上に結晶の層を成長させる方法のことです。信越半導体が成長させるエピタキシャル層の厚さは、0.01mm(10μm)ほどにすぎません。

SOIウェーハは、半導体の高集積化と低消費電力化に対応する製品です。基板の選定はデバイスの性能とコストに関わるため、用途に合わせた製品タイプの理解が役立ちます。

ウェーハの上で作られた半導体は、生活と産業の幅広い製品に組み込まれています。シリコンウェーハの用途として挙げられる製品は、以下のとおりです。

・スマートフォン
・パソコン
・テレビ
・エアコン
・車
・電車

デジタルカメラやスマートフォンのカメラに搭載されるCMOSイメージセンサも、シリコンウェーハから作られています。CMOSイメージセンサとは、光を電気信号に変換する撮像用の半導体です。

産業分野でも、半導体は設備の中枢を担っています。計測機器メーカーのメトロールは、半導体ウェーハが支える分野として産業機械・ロボティクスやインフラ・通信を挙げています。工場の自動化や検査装置の高度化が進むほど、ウェーハの重要性は増す一方です。

ウェーハとは、半導体デバイスの土台となる円板状の基板材料のことです。記事の要点を、以下にまとめました。

・ウェーハの90%はシリコン製で、高純度の単結晶から作られる
・口径は直径100〜300mmが中心で、最先端半導体には300mmが使われる
・製造工程は単結晶インゴットの製造からスライス・研磨・洗浄・検査へと進む
・原料の純度は99.999999999%で、平坦度と清浄度にも極めて高い水準が求められる
・加工形態によってポリッシュトやエピタキシャルなどの製品タイプに分かれる

ウェーハの基礎を押さえると、半導体に関わる技術資料や取引先との議論を正確に理解できるようになります。自社の製品や設備で使われている半導体を思い浮かべながら、材料までさかのぼって整理してみましょう。

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