シリコンウェーハは、スマートフォンから自動車まで、あらゆる電子機器に不可欠な半導体デバイスの「土台」です。目には見えませんが、高純度シリコンから作られるこの薄い円盤状の板が、現代社会のデジタル化を支えています。AIなどの進展により、その需要はますます高まっており、その製造には原子レベルでの徹底した品質管理が求められます。
本記事では、シリコンウェーハの特徴や種類を解説。知識を深めたい方は、ぜひ一読ください。
シリコンウェーハとは？
シリコンウェーハとは、半導体デバイスを作るための基板（材料）として使用される、高純度のシリコン（ケイ素）から作られた薄い円盤状の板のことです。
私たちの身の回りにある、スマートフォンやタブレット、洗濯機などの家電製品、自動車など、ほとんどの電子機器には半導体デバイスが使われています。その半導体の格となるのが、シリコンウェーハです。
シリコンウェーハは、日常生活で目にすることはありません。しかし、AIなどの分野で半導体の需要が高まっており、その需要も増加傾向にあります。
シリコンウェーハの特徴
シリコンウェーハは、私たちが日々使うあらゆる電子機器の頭脳となる半導体チップの「土台」です。そのため、その製造工程では、わずかな不純物も許されない極めて高い品質が求められます。まさに、半導体チップの性能は、このウェーハの品質に直結していると言えるでしょう。
半導体チップは、ウェーハ上に微細な回路を形成することで機能します。もしウェーハに不純物が存在すると、電気信号の流れが妨げられたり、回路がショートしたりして、チップが正常に動作しなくなります。そのため、機械的・化学的な研磨を駆使して、ウェーハ表面は原子レベルで徹底的に磨き上げられ、鏡面仕上げが施されます。
ウェーハは「ウェーハ基板」や「シリコン基板」とも呼ばれ、半導体チップを物理的に支える支持基盤としての役割も担っています。その品質や特性は、最終的にウェーハ上に形成される回路の性能や、チップの生産効率（歩留まり）を大きく左右します。
シリコンウェーハの製造プロセス
ここまで、シリコンウェーハの特徴について紹介しました。ここからは、製造プロセスを詳しく解説していきましょう。
金属シリコンの精製
シリコンウェーハの製造は、まず金属シリコンの精製から始まります。金属シリコンは、地球上に豊富に存在する土、砂、石の主成分であるケイ石（二酸化ケイ素）を還元・精留することで得られる、高純度の金属ケイ素です。
次に、この金属シリコンを「シーメンス法」と呼ばれる還元製法でさらに高純度化し、多結晶シリコンを精製します。これはシリコンウェーハの品質を左右する重要な工程です。
多結晶シリコンから単結晶シリコンを製造する主要な方法が「CZ（チョクラルスキー）法」です。この方法では、多結晶シリコンを石英るつぼに入れて融解し、そこに「種結晶」を浸します。
種結晶を回転させながらゆっくりと引き上げることで、種結晶と同じ原子配列を持つ円柱状の単結晶インゴットが製造されます。この一連のプロセスは「単結晶引き上げ工程」と呼ばれます。CZ法は、大型の単結晶シリコンを高い生産性で製造できるため、現在主流の製法となっています。
一方、石英るつぼを使用しない「FZ（フローティングゾーン）法」も存在します。この方法は、主にパワー半導体などに用いられる比較的小口径のウェーハ製造に多く採用されています。
単結晶シリコンインゴットが製造された後、いよいよ実際に回路が形成されるシリコンウェーハへと加工されていきます。この工程は、非常に高い精度と清浄度が求められる、熟練の技術と最先端の設備が融合するプロセスです。
切断と初期加工
製造された円柱状の単結晶インゴットは、ワイヤソー（切断機）と呼ばれる特殊な装置を用いて、約1mm程度の薄さにスライスされます。この「スライス加工」は、ウェーハの厚みを均一に保つ上で非常に重要です。切断されたウェーハは、それぞれ外周の面取り（ベベリング）や研削が施されます。
これは、ウェーハの欠けを防ぎ、その後の工程での破損リスクを低減するために行われます。
表面の平坦化とダメージ除去
次に、ウェーハの両面を「ラッピング（機械的研磨）」します。これは「粗研磨」とも呼ばれ、ウェーハを必要な厚さまで研磨し、スライス加工で生じた表面の凹凸を大まかに除去する工程です。ラッピング後も、切断や研磨によってウェーハ表面には微細なダメージが残っています。
これらのダメージは、半導体デバイスの性能に影響を及ぼす可能性があるため、化学薬品を用いたエッチング処理で除去されます。このエッチングによって、ウェーハの結晶構造を傷つけることなく、表面のダメージ層だけを溶解除去します。
最終的な鏡面加工と仕上げ
エッチング処理で表面のダメージが除去されたウェーハは、いよいよ最終段階の「ポリッシング（化学的機械的研磨）」へと進みます。これは、単なる機械的な研磨ではなく、化学的な作用も組み合わせることで、ウェーハ表面を原子レベルで平坦にし、鏡のように滑らかな「鏡面加工」を施す工程です。半導体回路の微細化が進むにつれて、このポリッシングの精度はますます重要になっています。
鏡面加工が施されたウェーハは、厳重な洗浄と徹底的な検査を経て、最終的に梱包され出荷されます。この一連の加工工程を経て、半導体の「基板」となる高精度なシリコンウェーハが完成するのです。
シリコンウェーハの種類
シリコンウェーハは、半導体デバイスの基盤となる材料であり、その用途や要求される特性によって様々な種類に分類されます。ここでは、主なシリコンウェーハの種類について詳しく解説します。
アニールウェーハ
アニールウェーハは、半導体デバイスの性能と信頼性を向上させるために、基本的なポリッシュドウェーハに特別な高温熱処理を施したものです。この熱処理は「アニール処理」と呼ばれ、主に水素（H2）やアルゴン（Ar）などの不活性ガス雰囲気中で行われます。
アニールウェーハは、高性能ロジックICや高密度メモリ（DRAM、NANDフラッシュ）、もしくは高い信頼性が求められる車載用半導体など、最先端の半導体デバイスの製造において広く採用されています。
エピタキシャル・ウェーハ
鏡面加工されたポリッシュドウェーハを約1200℃のエピタキシャル炉で加熱し、気化したシリコン化合物（四塩化ケイ素）を流すことで、ウェーハ表面に単結晶シリコン膜を気相成長（エピタキシャル成長）させたものです。
このプロセスにより、非常に高い結晶完全性を持ち、抵抗率が異なる多層構造も形成可能な高品質なウェーハが製造されます。主に高性能ロジックICやパワー半導体、イメージセンサーなど、高いデバイス性能と歩留まりが求められる用途で幅広く利用されます。
このようにエピタキシャルウェーハは、半導体デバイスの基盤として、多様な電子機器の性能向上に貢献しています。
ダミーウェーハとは？
半導体製造プロセスは非常に精密であり、その安定稼働と品質維持のためには、装置の状態やプロセス条件を常に確認する必要があります。ここで重要な役割を果たすのが、ダミーウェーハ（テストウェーハ）やモニターウェーハと呼ばれる確認用のウェーハです。
これらのウェーハは、実際の製品ウェーハとは異なり、デバイスを形成する目的ではなく、主に以下の目的で製造ラインに投入されます。
- 装置のセットアップと調整…新しい製造装置を導入する際や、既存装置のメンテナンス後に、装置が正しく機能するかどうかを確認するために使用される
- プロセス条件の最適化…成膜、エッチング、イオン注入などの各工程において、温度、圧力、ガス流量といったプロセス条件が適切であるか、あるいは最適化の余地がないかを確認するために用いられる
- 歩留まり管理…製造ラインの途中で、欠陥の発生状況や膜厚の均一性などをモニターし、歩留まりの変動要因を特定する
- 遺物管理…製造環境における微細な異物の付着状況を評価する
これらのダミーウェーハやモニターウェーハは、一度使用されると表面に薄膜が形成されたり、一部がエッチングされたりするため、そのままでは再利用できません。
しかし、これらの「使用済みの膜付きウェーハ」は、廃棄されるのではなく、高度な技術によって「再生ウェーハ」として蘇ります。再生ウェーハは新品よりも安価で、環境負荷も少ないため、半導体メーカーによって広く利用されているのが特徴です。
まとめ
シリコンウェーハは、金属シリコンの精製から始まり、CZ/FZ法による単結晶化、スライス、研磨、エッチング、ポリッシングを経て、超高精度な基板へと加工されます。その種類は、アニールやエピタキシャル成長といった表面加工、そしてダミーウェーハのような特殊用途まで多岐にわたります。
また、シリコンウェーは高い清浄度、平坦度、結晶完全性が求められ、これらすべてが半導体チップの性能と信頼性を決定づける、ものづくりの結晶といえます。ものづくりについて学んでいる方は、どんな製品にどのように使われているか、調べてみてもよいでしょう。
