半導体のシリコンウエハについて

大学で電子工学を専攻している学生です。先日、半導体の授業でシリコンウエハについて教わったのですが、素朴な疑問があります。シリコンウエハはなぜ丸い形をしているのでしょうか？作り方もあると思うのですが、チップの形が四角いから四角い形のウエハに作ればいいのになぁと思いました。またサイズも200mmとか300mmとかに決まっているようですが、もっと自由なサイズで作れないものでしょうか？全くの素人な質問ですが、半導体にとても興味があるので、どなたか専門家の方、教えてください。

No.6 ベストアンサー 回答者： nzw 回答日時： 2006/10/09 13:17

まず、高純度低欠陥密度の単結晶をつくる都合上、最初にできる結晶は、円柱状になります。

もちろん、ここから四角形のウェハを切り出してもいいのですが、そうすると、円に内接する四角形の部分だけを使うことになり、その外は捨ててしまうことになります。

円に内接する四角形の最大面積は、円の64％程度ですから、単純に言っても四角形にすることで1/3程度を捨ててしまうことになります。単結晶製造コストは非常に高いので、これは無視できません。

一方、四角形にするメリットですが、実はあまりありません。チップは確かに四角形ですが、その大きさはチップの種類にもよりますが、200mmや300mmといった現在主流のウェハよりもかなり小さいものです。もともとのウェハの形状が円であっても、内接する四角形を切り抜いた外側の部分にも十分チップを敷き詰めることができます。したがって、同じ直径のインゴッドから切り取った円形のウェハと、四角形のウェハでは、一枚で製造できるチップの数は前者の方が多くなります。
また、ウェハの形状を四角形としても、そこにチップを敷き詰めた場合に、チップの辺の長さの整数倍にウェハの大きさがなっていない場合には無駄が生じます。

また、装置の設計をする場合、半導体プロセスでは雰囲気制御をする必要上、大体の装置が真空容器になっていますが、四角形の真空容器よりも円形の方が作りやすくなります。拡散工程などで石英チューブを使いますが、四角形のチューブでは応力集中による破損の恐れがあるでしょう。もちろん、四角形のウェハに対して円形のチューブを使ってもいいのですが、その場合、ウェハ面積に比べて大きなチューブが必要になります。

No.7 回答者： voussortez 回答日時： 2006/10/11 22:14

ＩＣを作る工場の機械を想像すると解るかも知れませんね。

円形だと直径しか長さがありません。
しかし、四角形だと辺の長さと対角線の長さの２つあり、
短い辺に機械を合わせると摩擦も増えて加工時に割れやすくなると思います。

フォトレジスト塗布時に超高速？回転をさせて均一に塗布します。
洗浄工程やエッチング工程には純水や水溶液などに浸けます。
イオン注入装置などの１枚１枚機械で動かす装置では、
四角形だと引っかかりやすいですね、円形だと角がありません。

ウェハが１枚でも割れると悲惨な、いらぬ清掃作業が待っています。
（これが、微粒子状になり半導体チップには致命的に成ります。メチルアルコールと専用の布で装置や装置周辺を清掃する事になり装置が止まりラインに響きます。）

なので、ウェハに成ってから半導体加工の段階の装置を調べると良いでしょう。
そう、答えは１つ１つのチップに切り分ける前までの工程にあるのでしょうね。

No.5 回答者： SortaNerd 回答日時： 2006/10/09 10:01

四角いと周囲を磨くことが出来ません。

また、表面を磨く装置も円形でしょうから無駄に大きな装置が必要になります。
その上、円い砥石で四角いウェハを磨けば四隅に異常な力がかかってしまうと思います。

No.4 回答者： super-dog 回答日時： 2006/10/08 23:46

当然ウエハは大きい方が良いです。

露光などのその後の処理はウエハの大きさにかかわらず同じ時間かかりますから。
大きいウエハは安定して均一にすることが難しいですよ。
切のいい数字は、No3の書いたように、その他の機械を統一できるからではないでしょうか。
ちなみに、400mmも研究はしてますよ。
なんて書いてたら良いページ見つけました。

ちなみに私は専門家でもなんでもなく、昔読んだ「電子立国日本の叙事伝」の知識です。くだらない周辺知識を身につけるならいい本だと思いますよ。

参考URL：http://www.atmarkit.co.jp/fsys/keyword/015silico …

No.3 回答者： chirubou 回答日時： 2006/10/08 21:34

No.1 さんの回答に補足です。

参考URLにあるCZ法では、溶けたシリコンに種となる小さな結晶を入れてゆっくり引き上げてつくります。この引き上げる時に、種結晶をゆっくり回しているので、丸いインゴットができるのです。ウエアはインゴットを薄く輪切りにして使うので、ウエハも丸くなります。

ウエハの直径が決まっているのは、インゴットを作る課程の問題というよりは、それを受け入れてICを作る側の都合だと思います。インゴットは、同じ直径の長いインゴットになるよう、細かい制御がされています。逆に言えば、パラメータを変えれば直径を小さくすることは可能でしょう。ご承知のようにICチップは四角ですので（これはウエハを切る都合で四角）、丸いウエハから作ろうとすると周囲が無駄になってしまいますが、直径が大きい程、無駄が減ります。従って、現実的な最大の直径が30cmなんだと思います（30CMというのは、技術的な最大値というよりは、IC製造側とインゴット製造側の双方で、設備投資の最適化の結果と思いますが）。

No.2 回答者： mtld 回答日時： 2006/10/08 19:59

均一な結晶を作るには温度も均一でなければいけない事は良く知られた事ですから丸棒が良いのでは　と思います

初期のウエハーサイズは1インチ位だったようで　チップサイズは１～２mm角位でした（大分前に壊れたICを分解して中を覗いて見た事があります）　
改良されて大サイズウエハーが作られ現在は10インチを超えるようになったのです
大きいほど一度に沢山のチップが取れコストが下がる訳です

格子欠陥密度の関係で最大チップサイズが決まります　つまりチップサイズを大きくしますと不良率が高くなるのです
欠陥密度が低く抑えられるようになってチップサイズも大きく出来たのです

現在の最大チップサイズは15mm角位でしょうか？　勿論小さなサイズで足りるものもあるでしょうけれど

この回答へのお礼

ありがとうございます。「チップサイズが大きくするのが難しい理由」や「ウエハサイズが大きいほど、コスト的に有利」という事はとてもよく理解できました。しかし、ウエハの形状は円盤よりも四角い方が効率よくチップが取れるのに、なぜ円盤状でなければならないのか？四角くできない理由は何か？がよくわからないです。半導体プロセス的には、四角いより円盤の方が有利なんでしょうか？それとも、ウエハを四角く加工するのが難しいのでしょうか？初心者ですみません。

お礼日時：2006/10/08 21:30

No.1 回答者： super-dog 回答日時： 2006/10/08 18:02

まあ製造過程の理由でそうなっているんですね

参考URL：http://www.tocera.co.jp/ja/products/wafer/proces …

この回答へのお礼

ありがとうございます。CZ法については、授業でちょうど教わったところでした。分かりやすいホームページを教えていただき、ありがとうございました。CZ法で作製したら円盤形状になるのは理解できるのですが、その後の加工で四角くウエハを作ったら、もっとチップを作りやすく出来るように思います。そういうウエハ加工は難しいんでしょうね。

お礼日時：2006/10/08 21:26