ウェハー（電子部品）

^{ウェーハは、}純度99.9999999%（9N）以上の、 ほぼ欠陥のない高純度単結晶材料から形成されます。 ^{[ 5 ]結晶ウェーハを} 形成するプロセスの1つは、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。このプロセスでは、溶融物から種結晶を引き上げることにより、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インゴット（ブールと呼ばれる）が形成されます。^{[ 6 ] [ 7 ]}シリコンの場合、ホウ素やリンなどのドナー不純物原子を溶融した真性材料に正確な量で添加して結晶をドーピングし、 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。

続いて、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、平面度を向上させるために機械加工され、機械加工工程による結晶の損傷を除去するために化学エッチングされ、最後に研磨されてウェーハが形成されます。^{[ 8 ]}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です。^{[ 9 ]}電子機器では、直径100～450 mmのウェーハが使用されます。製造された最大のウェーハは直径450 mmですが、^{[ 10 ]}まだ一般的には使用されていません。    

ウェーハは、不要な粒子を除去するために弱酸で洗浄されます。シリコンウェーハの表面に汚染がないことを確認するために、いくつかの標準的な洗浄手順があります。最も効果的な方法の 1 つはRCA 洗浄です。太陽電池に使用される場合、ウェーハは表面が粗くなるようにテクスチャ加工され、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。^{[ 11 ]}

ウェーハは、規則的な結晶構造を持つ結晶から成長します。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 ]}ウェーハに切断すると、表面は結晶方位と呼ばれるいくつかの相対方向のいずれかに整列します。方位はミラー指数で定義され、シリコンでは (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。各方向には輸送のための異なる経路があるためです。^{[ 26 ]} 

ウェハの劈開は通常、明確に定義された数方向のみで発生します。劈開面に沿ってウェハに溝を刻むことで、ウェハを個々のチップ（「ダイ」）に容易に分割することができ、平均的なウェハ上の数十億個の回路素子を多数の個々の回路に分離することが可能になります。

 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) を示す平面が1 面または複数面に切り込まれています。初期世代のウェーハでは、異なる角度の一対の平面がドーピングの種類も示していました (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表示されません。450 mm ウェーハにはノッチがなく、ウェーハ表面にレーザーで刻まれた構造によって向きが示されます。^{[ 27 ]} 

シリコンウェーハは一般的に100%純粋なシリコンではなく、溶融物に添加されるホウ素、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が1 cm ³あたり 10 ¹³～ 10 ¹⁶個の原子で形成され、ウェーハがバルク n 型または p 型のいずれかになります。^{[ 28 ]}しかし、単結晶シリコンの原子密度がcm ^{3あたり 5×10 22}個の原子であることと比較すると、それでも 99.9999% を超える純度が得られます。ウェーハには、初期段階で格子間酸素濃度を持たせることもできます。炭素と金属の汚染は最小限に抑えられています。^{[ 29 ]}特に遷移金属は、電子機器用途では 10 万分の 10 の濃度以下に抑える必要があります。^{[ 30 ]}

 生産性の向上が見込まれるにもかかわらず、投資に対するリターンが不十分であるという懸念から、450 mm ウェーハへの移行にはかなりの抵抗がある。ダイ間/エッジツーエッジのウェーハ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。450 mm ウェーハのコストは 300 mm ウェーハの 4 倍になると予想され、装置コストは 20 ～ 50% 上昇すると予想されている。^{[ 31 ]}大型ウェーハ用の高価な半導体製造装置により、450 mm ファブ (半導体製造施設または工場) のコストが増加する。リソグラファーのクリス・マックは 2012 年に、ウェーハ処理コストの 50% 以上がリソグラフィ関連であるため、 450 mm ウェーハのダイあたりの全体的な価格は 300 mm ウェーハと比較して 10 ～ 20% しか削減されないと主張した。450 mm ウェーハへの変換は、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のダイあたりの価格のみを削減する。リソグラフィ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ダイコストに対するリソグラフィの寄与は減少しない。^{[ 32 ]}    

ニコンは2015年に450mmリソグラフィ装置を納入し、2017年に量産を開始する計画だった。^{[ 33 ] [ 34 ]} 2013年11月、ASMLはチップメーカーの需要の時期が不確実であることを理由に、450mmリソグラフィ装置の開発を一時停止した。^{[ 35 ]}

2012年、ニューヨーク州（SUNY Poly / College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE)）、Intel、TSMC、Samsung、IBM、Globalfoundries、Nikonの各社からなるグループが、Global 450mm Consortium (G450C、 SEMATECHに類似) と呼ばれる官民パートナーシップを結成し、「450mmウェハレベルへの協調的な業界移行を可能にする費用対効果の高いウェハ製造インフラストラクチャ、機器プロトタイプ、ツール」を開発するための5カ年計画（2016年に期限切れ）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された450mmウェハを公開すると発表した。^{[ 38 ]} 2017年初頭、G450Cは理由は明らかにされていないが、450mmウェハ研究に関する活動を解体し始めた。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}さまざまな情報源は、当時 SUNY Poly の最高経営責任者であったAlain E. Kaloyerosに対する入札談合の告発がグループの終焉につながったと推測している。 ^{[ 41 ] [ 40 ] [ 42 ]} 300mm 製造の最適化が、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に対する業界の認識も一因となった可能性がある。^{[ 41 ]}

450 mm のタイムライン は確定していません。2012 年に 450 mm の生産が 2017 年に開始されると予想されていましたが、それは実現しませんでした。^{[ 43 ] [ 44 ]}当時Micron Technologyの CEO であった Mark Durcan 氏は、2014 年 2 月に、450 mm 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ました 。「450 mm が実現するとは確信していませんが、実現するとしても、かなり先の未来です。少なくとも今後 5 年間は、Micron が 450 mm に多額の費用をかける必要性はあまりありません。」^{[ 45 ]}

「それを実現するには、機器業界に多額の投資が必要です。そして、最終的に顧客がその機器を購入する価値があるかどうか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（今世紀末まで）までに450mmの展開を予想していました。^{[ 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の採用を延期したと報告しました。この報告によると、一部のオブザーバーは2018年から2020年を予想していましたが、VLSI Researchの最高経営責任者であるG・ダン・ハッチソンは、450mmファブが生産に移行するのは2020年から2025年までないと考えていました。^{[ 48 ]}

300 mm へのステップアップには 大きな変更が必要で、200 mmウェーハ用のほとんど自動化されていない工場とは異なり、 300 mm ウェーハを使用する工場は完全に自動化されています。これは、 300 mm ウェーハ用のFOUP は25 枚の 300 mm ウェーハを積載すると約 7.5 kg ^{[ 49 ]}になるのに対し、 SMIF は25 枚の 200 mm ウェーハを積載すると約 4.8 kg ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 17 ]}になるため、工場作業​​員には 2 倍の体力が必要となり、疲労が増加するためです。300 mm FOUP にはハンドルが付いているため、手で移動できます。450 mm FOUP は25 枚の 450 mm ウェーハを積載すると45 kg ^{[ 52 ]}になるため、クレーンを使用して手動で FOUP を取り扱う必要があり^{[ 53 ]}、FOUP にはハンドルがなくなります。 FOUPは、村田製作所または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、ドットコムバブル崩壊後の景気低迷期に行われたため、当初の予定通りに450mmにアップグレードすることに大きな抵抗が生じました。450mmへの増産時には、結晶インゴットの重量が3倍（総重量1トン）になり、冷却に2～4倍の時間がかかり、処理時間も2倍になります。つまり、450mmウェーハの開発には、克服すべき大きなエンジニアリング、時間、コストが必要となります。