ウェーハ（電子部品）

電子工学において、ウェハー（スライスまたは基板とも呼ばれる）^[1]は、結晶シリコン（c-Si、シリコン）などの半導体の薄片であり、集積回路の製造や、光起電分野では太陽電池の製造に使用されます。

ウェハーは、ウェハー内およびウェハー上に構築されるマイクロエレクトロニクスデバイスの基板として機能します。ウェハーは、ドーピング、イオン注入、エッチング、さまざまな材料の薄膜堆積、フォトリソグラフィーによるパターン形成など、多くの微細加工プロセスを受けます。最後に、個々のマイクロ回路がウェハー ダイシングによって分離され、集積回路としてパッケージ化されます。

半導体業界では、ウエハーという用語は、典型的にはゲルマニウムやシリコンなどの半導体材料の薄い円形のスライスを表すために1950年代に登場しました。これらのウエハーの丸い形状の特徴は、通常チョクラルスキー法を使用して製造される単結晶インゴットに由来しています。シリコンウエハーは1940年代に初めて導入されました。^{[2] [3]}

1960年までに、シリコンウェーハはMEMC / SunEdisonなどの企業によって米国で製造されていました。1965年、アメリカのエンジニアであるエリック・O・アーンスト、ドナルド・J・ハード、ジェラルド・シーリーはIBMに勤務しながら、最初の大容量エピタキシャル装置 の特許US3423629A ^{[4]を申請しました。}

シリコンウエハーは、 SUMCO、信越化学、^[5] ヘムロックセミコンダクターコーポレーション、シルトロニックなどの企業によって製造されています。

ウェハーは、純度が99.9999999% ( 9N )以上の高純度で、 ^[6] ほぼ欠陥のない単結晶材料から形成されます。 ^[6] 結晶ウェハーを形成する1つの方法は、ポーランドの化学者ヤン・チョクラルスキーによって発明されたチョクラルスキー法として知られています。 この方法では、ブールと呼ばれるシリコンやゲルマニウムなどの高純度単結晶半導体の円筒形のインゴットを、融液から種結晶を引き上げて形成します。^{[7] [8]}シリコンの場合はホウ素やリンなどのドナー不純物原子を正確な量で融液の真性材料に加えて結晶をドープし、 n型またはp型の外因性半導体に変えることができます。

次に、ブールはウェーハソー（ワイヤーソーの一種）でスライスされ、機械加工されて平坦性が向上し、化学エッチングによって機械加工の段階で生じた結晶の損傷が除去され、最後に研磨されてウェーハが形成される。^[9]太陽光発電用のウェーハのサイズは100～200 mm角で、厚さは100～500 μmである。^[10]電子機器では、直径100～450 mmのウェーハが使用されている。製造される最大のウェーハは直径450 mmであるが、^[11]まだ一般的には使用されていない。

ウェーハは弱酸で洗浄され、不要な粒子が除去されます。シリコンウェーハの表面に汚染物質が含まれていないことを保証するための標準的な洗浄手順がいくつかあります。最も効果的な方法の1つはRCA洗浄です。太陽電池に使用する場合、ウェーハはテクスチャ加工されて表面が粗くなり、表面積が増加して効率が向上します。生成されたPSG（リンケイ酸ガラス）はエッチングでウェーハの端から除去されます。^[12]

シリコンウェーハは、25.4 mm (1 インチ) から 300 mm (11.8 インチ) までの様々な直径のものがあります。^{[13] [14]} 半導体製造工場は、通称ファブと呼ばれ、製造するウェーハの直径によって定義されます。直径は徐々に大きくなり、スループットの向上とコストの削減が図られ、現在の最先端のファブでは300 mmが使用されていますが、 450 mmの採用も提案されています。^{[15] [16]} Intel、TSMC、Samsung はそれぞれ450 mmの「プロトタイプ」(研究)ファブの登場に向けて研究を行っていましたが、依然として大きなハードルが残っています。^[17]

シリコン以外の材料を使用して成長したウェーハは、同じ直径のシリコンウェーハとは異なる厚さになります。ウェーハの厚さは、使用する材料の機械的強度によって決まります。ウェーハは、取り扱い中に割れることなく、自身の重量を支えるのに十分な厚さでなければなりません。表の厚さは、そのプロセスが導入された時期に関するものであり、現在必ずしも正しいとは限りません。たとえば、IBM BiCMOS7WL プロセスは 8 インチ ウェーハですが、これらの厚さは 200 μm しかありません。ウェーハの重量は、厚さと直径の 2 乗に比例して増加します。導入日は、工場がすぐに装置を変換することを意味するものではなく、実際、多くの工場はアップグレードに気を配りません。代わりに、企業は新しい技術を使用してまったく新しいラインを拡張して構築する傾向があり、同時に幅広い技術が使用されることになります。

GaN基板ウェーハは、通常、独自のタイムラインを持っており、シリコン基板と並行してはいるものの、はるかに遅れており、他の基板よりも先行しています。世界初のGaN製300mmウェーハは、2024年9月にインフィニオンによって発表されました。これは、近い将来、300mm GaNの商用生産能力を備えた最初の工場が稼働する可能性があることを示唆しています。^[21]

一方、世界初のシリコンカーバイド（SiC）200mmウエハーは、2021年7月にSTマイクロエレクトロニクスによって発表されました。^[22]通常、商業生産におけるSiCの最大工場は150mmのままであるため、2024年時点でSiC 200mmが量産に入っているかどうかは不明です。

シリコン オン サファイアは、基板がサファイアであるのに対し、スーパーストレートはシリコンであり、エピタキシャル層とドーピングは何でも可能であるという点で、シリコン基板とは異なります。商業生産における SOS は、2024 年時点で通常 150 mm のウェーハ サイズで最大になります。

GaAsウエハーは2024年時点で最大150mmの商業生産が見込まれている。^[23]

AlN は商業生産では 50 mm または 2 インチのウェハーになる傾向があり、100 mm または 4 インチのウェハーは 2024 年現在、旭化成な​​どのウェハーサプライヤーによって開発されています。ただし、ウェハーが商業的に存在しているからといって、そのウェハー上にチップを製造するための処理装置が存在することを決して意味するものではなく、実際、そのような装置は、最終顧客の需要が実現するまで開発が遅れる傾向があります。装置が開発された後でも (数年)、工場が機械を生産的に使用する方法を理解するにはさらに数年かかる場合があります。

エッチング工程などのウェーハ製造工程の単位では、ウェーハ面積の増加に比例してより多くのチップを生産できますが、製造工程単位のコストはウェーハ面積の増加よりも緩やかに上昇します。これがウェーハサイズを拡大するためのコスト基準でした。2000年初頭に200 mmウェーハから300 mmウェーハへの変換が始まり、ダイあたりの価格が約30～40%低下しました。^[24]ウェーハの直径が大きいほど、ウェーハあたりのダイの数が増えます。

M1 ウェハサイズ (156.75 mm) は、2020 年現在、中国で段階的に廃止されています。さまざまな非標準ウェハサイズが登場しているため、M10 標準 (182 mm) を完全に採用する取り組みが進行中です。他の半導体製造プロセスと同様に、さまざまなタイプのデバイスの製造プロセスの違いにもかかわらず、コストの削減がこのサイズ拡大の試みの主な推進要因となっています。^{[引用が必要]}

ウェーハは規則的な結晶構造を持つ結晶から成長し、シリコンは格子間隔が 5.430710 Å (0.5430710 nm) のダイヤモンド立方構造を持っています。 ^[25]ウェーハに切断されると、表面は結晶方位と呼ばれるいくつかの相対方向の 1 つに揃えられます。方位はミラー指数によって定義され、シリコンの場合は (100) 面または (111) 面が最も一般的です。^{[25]単結晶の構造的および電子的特性の多くは高度に}異方性で あるため、方位は重要です。イオン注入の深さはウェーハの結晶方位に依存します。各方向は輸送のための異なる経路を提供するためです。 ^[26]

ウェーハの劈開は、通常、明確に定義されたいくつかの方向でのみ発生します。劈開面に沿ってウェーハに刻み目を入れると、ウェーハを個々のチップ (「ダイ」) に簡単に切り分けることができるため、平均的なウェーハ上の数十億の個々の回路要素を多数の個々の回路に分離できます。^{[引用が必要]}

直径200 mm未満のウェーハには、ウェーハの結晶面（通常は{110}面）を示すフラットが1面または複数面に切り込まれている。以前の世代のウェーハでは、異なる角度のフラットが2つあり、ドーピングの種類も示していた（慣例については図を参照）。直径200 mm以上のウェーハでは、ウェーハの向きを示すために1つの小さなノッチが使用され、ドーピングの種類は視覚的に示されない。直径450 mmのウェーハにはノッチがなく、ウェーハ表面のレーザー刻印構造によって向きが示される。^[27]

シリコンウェーハは一般に 100% 純粋なシリコンではなく、代わりに10 ¹³～ 10 ¹⁶原子 / cm ³のホウ素、リン、ヒ素、またはアンチモンの初期不純物ドーピング濃度で形成され、これらが溶融物に添加されてウェーハをバルク n 型または p 型として定義します。^[28]しかし、単結晶シリコンの原子密度が 5×10 ²²原子 / cm ³であることと比較すると、これはまだ 99.9999% を超える純度になります。ウェーハには、最初にいくらかの格子間酸素濃度が与えられることもあります。炭素および金属汚染は最小限に抑えられます。^[29]特に遷移金属は、電子用途では 10 億分の 1 未満の濃度に抑える必要があります。^[30]

生産性の向上が期待できるにもかかわらず、450mmへの移行には、投資収益が不十分であるという懸念から、かなりの抵抗がある。^[24]また、ダイ間/エッジ間のウェーハのばらつきの増加やエッジ欠陥の増加に関連する問題もある。450mmウェーハは300mmウェーハの4倍のコストがかかると予想されており、装置コストは20～50％上昇すると予想されている。^[31]より大きなウェーハ用の高価な半導体製造装置は、450mmファブ（半導体製造施設または工場）のコストを増加させる。リソグラファーのクリス・マックは2012年に、総ウェーハ処理コストの50％以上がリソグラフィー関連であるため、450mmウェーハのダイあたりの全体的な価格は300mmウェーハと比較して10～20％しか低下しないと主張した。より大きな450mmウェーハに変換しても、コストがウェーハ面積ではなくウェーハ数に関連するエッチングなどのプロセス操作でのみ、ダイあたりの価格が下がる^[要出典]リソグラフィーなどのプロセスのコストはウェーハ面積に比例し、ウェーハが大きくなってもリソグラフィーがダイコストに与える影響は小さくならない。^[32]

ニコンは2015年に450mmリソグラフィー装置を納入し、2017年に量産を開始する計画だった。 ^{[33] [34]} 2013年11月、ASMLは半導体メーカーの需要時期が不透明であるとして、450mmリソグラフィー装置の開発を一時停止した。^[35]

2012年、ニューヨーク州（ニューヨーク州立大学ポリテクニック校/ナノスケール科学工学部（CNSE））、インテル、TSMC、サムスン、IBM、グローバルファウンドリーズ、ニコンの各社からなるグループが、グローバル450mmコンソーシアム（G450C、SEMATECHに類似）と呼ばれる官民パートナーシップを結成し、「コスト効率の高いウェーハ製造インフラ、機器プロトタイプ、および450mmウェーハレベルへの業界の協調的移行を可能にするツール」を開発するための5カ年計画（2016年期限）を策定した。^{[36] [37]} 2014年半ば、CNSEはSEMICON Westで初の完全パターン化450mmウェーハを公開すると発表した。^[38] 2017年初頭、G450Cは理由非公開により450mmウェーハ研究活動を解体し始めた。^{[39] [40] [41]}様々な情報源から、このグループの崩壊は、当時ニューヨーク州立大学ポリテクニック校の最高経営責任者だったアラン・E・カロイエロスが入札談合の容疑で告発された後に起きたと推測されている。 ^{[41] [40] [42]} 300mm製造の最適化は、コストのかかる450mmへの移行よりも安価であるという事実を業界が認識したことも影響した可能性がある。^[41]

450mmのタイムラインは未定である。2012年には、450mmの生産は2017年に開始されると予想されていたが、実現しなかった。^{[43] [44]}当時マイクロンテクノロジーのCEOだったマーク・ダーカンは、2014年2月に、450mmの採用は無期限に延期されるか中止されると予想していると述べた。「450mmが実現するとは確信していないが、実現するとしてもかなり先の話だ。少なくとも今後5年間は、マイクロンが450mmに多額の資金を費やす必要性はそれほどない」^[45]

「それを実現するには、装置業界に多額の投資が必要です。そして、結局のところ、顧客がその装置を購入する価値は疑わしいと思います。」^[46] 2014年3月時点で、インテル社は2020年までに450mmの導入を予定していました（今世紀末まで）。^[47] semiengineering.comのマーク・ラペダスは、2014年半ばに、チップメーカーが「当面の間」450mmの採用を遅らせていると報告しました。このレポートによると、一部の観測者は2018年から2020年を予想していましたが、VLSIリサーチの最高経営責任者であるG・ダン・ハッチソンは、450mm工場が生産を開始するのは2020年から2025年までではないと見ていました。^[48]

300 mmへのステップアップには大きな変化が必要であり、300 mmウェーハを使用する工場は完全に自動化されているのに対し、200 mmウェーハ用ではほとんど自動化されていない工場となりました。これは、 300 mmウェーハ用のFOUPは25枚の300 mmウェーハを積載した場合の重量が約7.5 kg ^[49]であるのに対し、 SMIFは25枚の200 mmウェーハを積載した場合の重量が約4.8 kg ^{[50] [51] [18]}であるため、工場労働者の体力が2倍必要となり、疲労が増すためです。300 mm FOUPにはハンドルが付いているため、手で動かすことができます。450 mm FOUPは25枚の450 mmウェーハを積載した場合の重量が45 kg ^[52]であるため、FOUPを手動で取り扱うにはクレーンが必要となり^[53]、FOUPにはハンドルがなくなりました。 FOUPは、村田製作所やダイフクのマテリアルハンドリングシステムを使用して移動されます。これらの大規模な投資は、ドットコムバブル後の景気後退時に行われたため、当初の予定までに450mmにアップグレードすることに対して大きな抵抗が生じました。450mmに増加すると、結晶インゴットは3倍重くなり（総重量1トン）、冷却に2～4倍の時間がかかり、処理時間は2倍になります。^[54]結局のところ、450mmウェーハの開発には、克服すべき多大なエンジニアリング、時間、コストが必要です。

ダイあたりのコストを最小限に抑えるために、メーカーは単一のウェーハから製造できるダイの数を最大化したいと考えています。ウェーハダイシングの制約により、ダイは常に正方形または長方形の形状になります。一般に、これは、解析的な解決策のない計算が複雑な問題であり、ダイの面積とアスペクト比（正方形または長方形）の両方と、スクライブラインまたはソーレーンの幅、アライメント構造とテスト構造が占める追加のスペースなどの他の考慮事項に依存します。（スクライブラインとソーレーンの両方の幅がゼロで、ウェーハがフラットのない完全な円形で、ダイが正方形のアスペクト比になるように問題を単純化すると、数学の未解決問題である ガウス円問題に到達します。）

ウェーハあたりのダイ総数 ( DPW ) を推定する式は、ウェーハに収まる完全なダイの数のみを考慮していることに注意してください。総 DPW の計算では、欠陥やパラメータの問題による完全なダイ間の歩留まり損失は考慮されません。 ^{[引用が必要]}

それにもかかわらず、総DPW数は、ウェーハ対ダイ面積比の 一次近似または床関数から推定することができる。

${\displaystyle DPW=\left\lfloor {\frac {\pi r^{2}}{S}}\right\rfloor =\left\lfloor {\frac {\pi d^{2}}{4S}}\right\rfloor }$、

どこ

• ${\displaystyle d}$ウェーハの直径（通常はmm）
• ${\displaystyle S}$各ダイのサイズ (mm ² ) には、スクライブラインの幅 (またはソーレーンの場合は、カーフと許容差) が含まれます。

この式は、ウェーハに収まるダイの数が、ウェーハの面積を各ダイの面積で割った値を超えないことを単純に示しています。この式には、ウェーハ表面に完全には収まっていない部分的にパターン化されたダイの面積も含まれるため、常に真のベストケースの総 DPW を過大評価します (図を参照)。これらの部分的にパターン化されたダイは完全なICではないため、通常は機能部品として販売することはできません。^[要出典]

この単純な公式を改良すると、通常、エッジ上の部分的なダイを考慮してエッジ補正が追加されます。これは、一般に、ダイの面積がウェーハの総面積に比べて大きい場合に重要になります。その他の限定的なケース (無限に小さいダイまたは無限に大きいウェーハ) では、エッジ補正は無視できます。^{[引用が必要]}

補正係数または補正項は、一般的にデ・フリースが引用した形式のいずれかを取る: ^[55]

${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}-{\frac {\displaystyle \pi d}{\sqrt {2S}}}}$（面積比 - 円周/（ダイの対角長さ））

または（面積比を指数係数で拡大したもの）${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2{\sqrt {S}}/d)}$

または（多項式係数でスケーリングされた面積比）。${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 2{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$

これらの解析式を力ずくの計算結果と比較した研究では、補正係数を1より上または下の数値に調整し、アスペクト比の大きいダイの場合には直線ダイ寸法を（平均辺の長さ）に置き換えることで、実用的な範囲のダイサイズとアスペクト比で式をより正確にできることが示されている。^[55]${\displaystyle {\sqrt {S}}}$${\displaystyle (H+W)/2}$

${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}-0.58^{*}{\frac {\displaystyle \pi d}{\sqrt {S}}}}$

または${\displaystyle DPW=\left({\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\right)\exp(-2.32^{*}{\sqrt {S}}/d)}$

または。${\displaystyle DPW={\frac {\displaystyle \pi d^{2}}{4S}}\left(1-{\frac {\displaystyle 1.16^{*}{\sqrt {S}}}{d}}\right)^{2}}$

電子産業で使用されるウェーハの材料としてはシリコンが主流ですが、他のIII-V族またはII-VI族化合 物材料も使用されています。チョクラルスキー法で製造されるIII-V族半導体であるガリウムヒ素（GaAs） 、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）も一般的なウェーハ材料であり、GaNとサファイアはLED製造に広く使用されています。^[8]

ウィキメディア・コモンズには、ウェーハに関連するメディアがあります。

• F450C によるシリコン ウェーハの進化 - シリコン ウェーハの歴史に関するインフォグラフィック。