ニュース - 単結晶シリコン成長方法の包括的な概要

単結晶シリコン成長方法の包括的な概要

1. 単結晶シリコン開発の背景

技術の進歩と高効率スマート製品への需要の高まりにより、集積回路（IC）産業は国家発展における中核的地位をさらに強固なものにしています。IC産業の礎石である半導体単結晶シリコンは、技術革新と経済成長の推進において重要な役割を果たしています。

国際半導体工業会（ISIA）のデータによると、世界の半導体ウエハー市場は売上高126億ドルに達し、出荷面積は142億平方インチに増加しました。さらに、シリコンウエハーの需要は着実に増加を続けています。

しかし、世界のシリコンウェーハ業界は高度に集中しており、以下に示すように、上位 5 社のサプライヤーが市場シェアの 85% 以上を占めています。

信越化学工業（日本）
SUMCO（日本）
グローバルウェーハ
シルトロニック（ドイツ）
SKシルトロン（韓国）

この寡占の結果、中国は輸入単結晶シリコンウエハーに大きく依存することになり、それが同国の集積回路産業の発展を制限する大きなボトルネックの一つとなっている。

半導体シリコン単結晶製造分野における現在の課題を克服するには、研究開発への投資と国内生産能力の強化が避けられない選択です。

2. 単結晶シリコン材料の概要

単結晶シリコンは集積回路産業の基盤です。現在、ICチップと電子機器の90%以上が単結晶シリコンを主材料として製造されています。単結晶シリコンの幅広い需要と多様な産業用途は、いくつかの要因に起因しています。

安全で環境に優しいシリコンは地殻に豊富に存在し、毒性がなく、環境にも優しい物質です。
電気絶縁シリコンは本来電気絶縁性があり、熱処理により二酸化ケイ素の保護層を形成し、電荷の損失を効果的に防ぎます。
成熟成長技術シリコン成長プロセスにおける技術開発の長い歴史により、シリコンは他の半導体材料よりもはるかに洗練されたものとなっています。

これらの要因により、単結晶シリコンは業界の最前線に留まり、他の材料では代替できないものとなっています。

結晶構造の観点から見ると、単結晶シリコンはシリコン原子が周期的な格子状に配列し、連続した構造を形成する材料であり、半導体製造産業の基盤となっています。

次の図は、単結晶シリコンの製造プロセス全体を示しています。

プロセスの概要:
単結晶シリコンは、シリコン鉱石から一連の精錬工程を経て得られます。まず多結晶シリコンが得られ、次に結晶成長炉で単結晶シリコンインゴットへと成長します。その後、切断、研磨され、チップ製造に適したシリコンウェーハへと加工されます。

シリコンウェハーは通常、次の 2 つのカテゴリに分けられます。太陽光発電グレードそして半導体グレードこれら2つのタイプは、主に構造、純度、表面品質が異なります。

半導体グレードのウエハ純度は最大 99.999999999% と非常に高く、単結晶であることが厳密に要求されます。
太陽光発電グレードのウエハ純度はそれほど高くなく、純度レベルは 99.99% から 99.9999% の範囲で、結晶の品質に対する要件はそれほど厳しくありません。

さらに、半導体グレードのウェーハは、太陽光発電グレードのウェーハよりも高い表面平滑性と清浄度が求められます。半導体ウェーハに対する高い基準は、その製造工程の複雑さと、その後のアプリケーションにおける価値の両方を高めます。

次の図は、初期の 4 インチ (100 mm) および 6 インチ (150 mm) のウェーハから現在の 8 インチ (200 mm) および 12 インチ (300 mm) のウェーハに至るまでの半導体ウェーハ仕様の変遷を示しています。

実際のシリコン単結晶製造においては、ウェハサイズは用途の種類やコスト要因によって異なります。例えば、メモリチップでは一般的に12インチウェハが使用され、パワーデバイスでは8インチウェハが使用されることが多いです。

まとめると、ウェーハサイズの進化はムーアの法則と経済的要因の両方の結果です。ウェーハサイズが大きくなることで、同じ処理条件下で使用可能なシリコン面積が拡大し、生産コストを削減すると同時に、ウェーハエッジからの廃棄物を最小限に抑えることができます。

現代の技術発展において極めて重要な材料である半導体シリコンウエハーは、フォトリソグラフィーやイオン注入といった精密プロセスを経て、高出力整流器、トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、スイッチングデバイスなど、様々な電子デバイスの製造を可能にします。これらのデバイスは、人工知能、5G通信、車載エレクトロニクス、IoT、航空宇宙といった分野で重要な役割を果たし、国家経済発展と技術革新の礎となっています。

3. 単結晶シリコン成長技術

そのチョクラルスキー（CZ）法高品質の単結晶材料を溶融物から引き出す効率的なプロセスです。1917年にヤン・チョクラルスキーによって提案されたこの方法は、クリスタルプル方法。

現在、CZ法は様々な半導体材料の製造に広く利用されています。不完全な統計によると、電子部品の約98%は単結晶シリコンで作られており、そのうち85%はCZ法で製造されています。

CZ法は、優れた結晶品質、制御可能なサイズ、急速な成長速度、そして高い生産効率といった特長から、好まれています。これらの特性により、CZ単結晶シリコンは、エレクトロニクス業界における高品質かつ大規模な需要を満たす最適な材料となっています。

CZ単結晶シリコンの成長原理は次のとおりです。

CZプロセスは高温、真空、密閉環境を必要とします。このプロセスに不可欠な機器は結晶成長炉、これらの条件を促進します。

次の図は結晶成長炉の構造を示しています。

CZプロセスでは、純粋なシリコンをるつぼに入れて溶融させ、種結晶を溶融シリコンに導入します。温度、引き上げ速度、るつぼの回転速度などのパラメータを正確に制御することで、種結晶と溶融シリコンの界面にある原子または分子が継続的に再配置され、系が冷却されるにつれて固化し、最終的に単結晶を形成します。

この結晶成長技術により、特定の結晶方向を持つ高品質で大口径の単結晶シリコンが生成されます。

成長プロセスには、次のようないくつかの重要なステップが含まれます。

分解と積み込み: 結晶を取り除き、炉とコンポーネントから石英、グラファイト、その他の不純物などの汚染物質を徹底的に除去します。
真空と溶解システムを真空に排気し、続いてアルゴンガスを導入してシリコン充填物を加熱します。
クリスタルプル: 種結晶を溶融シリコンに降ろし、適切な結晶化を確実にするために界面温度を慎重に制御します。
肩削りと直径制御: 結晶が成長するにつれて、その直径が注意深く監視され、均一な成長が保証されるように調整されます。
成長の終わりと炉の停止: 希望する結晶サイズが達成されると、炉が停止され、結晶が取り出されます。

このプロセスの詳細な手順により、半導体製造に適した高品質で欠陥のない単結晶が作成されます。

4. 単結晶シリコン製造における課題

大口径半導体単結晶の製造における主な課題の1つは、成長プロセス中の技術的なボトルネックを克服すること、特に結晶欠陥の予測と制御にあります。

単結晶の品質のばらつきと歩留まりの低さシリコン単結晶のサイズが大きくなるにつれて、成長環境の複雑さが増し、熱、流れ、磁場といった要素の制御が困難になります。これにより、安定した品質と高い歩留まりを達成することが困難になります。
不安定な制御プロセス半導体シリコン単結晶の成長プロセスは非常に複雑で、複数の物理場が相互作用するため、制御精度が不安定になり、製品歩留まりの低下につながります。現在の制御戦略は主に結晶のマクロ的な寸法に焦点を当てており、品質は依然として手作業による経験に基づいて調整されているため、ICチップのマイクロおよびナノ製造の要件を満たすことが困難です。

これらの課題に対処するには、集積回路に使用するための大型単結晶を安定して高品質に生産するための制御システムの改善とともに、結晶品質をリアルタイムでオンラインで監視および予測する方法の開発が緊急に必要です。

投稿日時: 2025年10月29日