高3です。 透過顕微鏡というものについてお聞きします。 半導体産業に重要なツールと聞いたので少し調べ

高3です。
透過顕微鏡というものについてお聞きします。
半導体産業に重要なツールと聞いたので少し調べてみましたが、元素だの結晶欠陥だのよくわからなかったです。それを使い、材料の元素の成分が分かったり、結晶欠陥やボイドというものが見つかることで半導体にどのような影響が出てくるのでしょうか。そもそもボイドと結晶欠陥はどんな感じで形成されるのでしょうか。
はじめは興味で調べてたのですが、なんだか調べるうちによくわからなくなってきました。
こちら方面に詳しい方、わかりやすく教えていただけたらうれしいです。よろしくお願いします。

質問者からの補足コメント

• 透過型顕微鏡を使って不純物の場所を特定するとあるのですが、不純物はどういったものなのでしょうか？

    補足日時：2023/12/15 11:43

• Si以外は不純物になるのでそれ以外で出てきた金属は不純物扱いになるわけですね。
  半導体の材料はSiだとわかりましたが、ちなみに半導体の材料Siが入ってる試料でも試料の違いでボイドとか結晶欠陥には違いが出てくるものなのでしょうか？
  違いがあるとしたらどのように違ってくるんですか？

    補足日時：2023/12/15 12:57

No.5 回答者： mabuterol 回答日時： 2023/12/15 23:03

> 半導体の材料はSiだとわかりましたが

誤解の無いように。半導体材料は Si 以外にも多くあります。今年のノーベル化学賞の量子ドットは半導体材料としての塩化銅だったかを使っていたはず。１０年以上前のノーベル物理学賞の青色発行ダイオードは半導体材料としての窒化ガリウムですね。

半導体回路のベース素材としての Si も、SiC は実用化されているし、C 半導体は研究レベルですが進展してきました。


> ちなみに半導体の材料Siが入ってる試料でも試料の違いでボイドとか結晶欠陥には違いが出てくるものなのでしょうか？

さて半導体の電子回路の業界において Si とは何かと聞かれたら、化学の世界における純水であると思えば良いでしょう。化学実験をする際に水に不純物が混入していたら、まともな実験結果が出ません。

だから Si インゴットと呼ばれる材料を作ってくれるメーカーさんは、その純度を 99.9999% とか、更に桁を上げて 99.99999% とか、限りなく 100% Si と呼べるような大きな塊にして提供して下さいます。

ほぼ 100% Si なのだから違いも何もありません。Si です。純水が 100% H2O なのと同じです。


先の投稿にも書きましたけれども、欠陥というのは、何らか純粋な Si としての特性が失われているような領域を指す言葉であって、その原因は何だって良いのです。不純物が混じっていても良いし、不純物が抜け落ちて空間ができても良いし、衝撃でヒビが入っても良いのです。

この回答へのお礼

とても勉強になりました。ありがとうございます。

お礼日時：2023/12/15 23:57

No.4 回答者： Georgia.Rain. 回答日時： 2023/12/15 17:13

No.1です。

まずですね、高３で半導体産業に興味を持つことはとっても素晴らしい事だと思います。しかしそれらを理解するにも順番があります。それら基礎知識を飛び越えてイキナリ透過型顕微鏡とかボイドとか結晶欠陥を理解しようとしても無理があるかと思います。

失礼な比喩かも知れませんが基礎数学もままならないのに相対性理論を教えて下さい、と質問するようなモンです。

まずは焦らずに「半導体とは何か」「半導体とはどうやって作られるのか」「何故、半導体を使うと電子回路が出来るのか」あたりから学ぶべきかと思います。

この回答へのお礼

とても勉強になりました。ありがとうございます

お礼日時：2023/12/15 23:57

No.3 回答者： Georgia.Rain. 回答日時： 2023/12/15 12:18

No.1てす。

半導体の材料はSi（ケイ素）ですのでそこら辺の石ころが原料となります。なのでそこら辺の石ころに含まれるケイ素以外のモノが全て不純物になる可能性があります。主に金属成分などです。

No.2 回答者： mabuterol 回答日時： 2023/12/15 00:56

No.1 の方は MRI と表現しておられますが、もしかしたらレントゲンと書いた方が分かりやすいかもしれませんね。

さて貴方は半導体回路の世界で、TSMC の 2 nm プロセスがどうとか、聞いた事がありますか？　あれは半導体材料の中に形成した電子回路の導線の幅が 2 nm しか無いという事です。

その 2 nm の幅の導線に電流を流すわけですけれども、その中に欠陥と呼ばれる電流を流しにくい部位が存在すると、まぁ当然ですが電流は流れないわけです。原子 1 個分の大きさが約 0.1 nm とか言われていますが、そうすると、20 m 幅の道路に 1 m の障害物が置かれているようなイメージですね。その障害物が原子１個分で済めば良いけど、そうはいかない場合もあります。

電子回路ですから、たかが導線１本の電気の流れが悪くなるだけで、回路全体が不良品になってしまうという事があるのです。

このために半導体材料を作る人々は、何よりも six 9 と呼ばれる 99.9999% 以上の半導体材料を使用して不純物の可能性つまり不良品の可能性を低くします。

そして、それに使う洗浄液にも非常に気を使います。少し前に、日本から韓国へのフッ化水素の輸出管理が厳格化されていた時期があり、新聞などでも報道されていたと思いますが、フッ化水素を使って洗浄しているから非常に重要な材料なのです。

そうやって不純物が混じらないように細心の注意を払う半導体製造プロセスにおいて、どこに不純物があるか事前に分かっていると、そこを回避して回路生成すれば良いのです。そういう目的で、透過型顕微鏡を使って不純物の場所を特定します。


ボイドは、そこにあった不純物が製造プロセスの過程で移動して、そこにできた空間だと思って下さい。欠陥はボイドも含みますが、不純物が残留している場合もあります。あるいは製造プロセスの過程で外部から混入した不純物という場合もあります。

No.1 回答者： Georgia.Rain. 回答日時： 2023/12/15 00:11

いわゆる半導体製品のMRI検査みたいなモンかと。

半導体製品を製造する場合、まず始めにSiインゴットという限りなく純度100%の大きなSi結晶体を作らないといけません。それをハムのように薄くスライスしてSiウエハと言われるものにしてそこから半導体製造が始まります。

しかしそれらは所々に結晶構造になってなかったり(不揃い)、隙間(クラック)が出来てしまったりします。しかもSiウエハは不透明ですから普通の電子顕微鏡でいくら覗いても内部にそれらがあっても検出不可能です。製造不良が出て初めて「あぁこのウエハは外れだったんだな」と判明します。

それを透過顕微鏡を使えばMRIのように内部まで覗けるので製造の前段階で不良品の検出が出来るという訳です。