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生産設備に関する記事

ウエハ製造工程の流れ|各工程の詳細や注意すべきポイント

シリコンウエハは、半導体製造において基板として使用される重要な材料です。ウエハ上に微細な配線パターニング加工やドーピングを行うことで、システムLSIなどの集積回路が製造できます

この記事では、ウエハの製造における機械加工や熱処理などの一般的な工程や、ウエハ製造に必要な技術や装置、注意すべきポイントについて解説します。また、最後にはウエハ加工を行って半導体製品を製造を行う際に、工程の自動化の相談先となるメーカを紹介します。

※なお、当サイトでは、半導体の製造工程についても下記で詳しく紹介しています。よければ、あわせてご覧ください。

半導体製造工程の流れ|必要な技術・装置と注意すべきポイント

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1.ウエハの製造工程

(1)ウエハとは

ウエハは、シリコンで作られた薄い円盤上の板であり、システムLSIなどの半導体集積回路を形成するための基板として用いられる重要な原材料です。

また、ウエハは、クリーンルーム内のクリーン度を確認するためのパーティクルチェック用途や、半導体製造装置におけるウエハのハンドリングチェックなどにも用いられるため、半導体製造のあらゆる工程で重要な役割を果たしています。

(2)ウエハの製造工程

ここでは、一般的なポリッシュト・ウエハの製造工程を紹介します。より高品位な、アニール・ウエハやエピタキシャル・ウエハなどを製造する場合には、以下の工程に加えて特殊加工を行います。

①シリコンインゴットの作成

原料となる珪石を還元・精留反応によって多結晶シリコンに加工した後、チョクラリスキー法(CZ法)やフローティングゾーン法(FZ法)によって、純度が「イレブン・ナイン」のほぼ不純物を含有しない単結晶シリコンインゴットを作成します。

②スライシング

シリコンインゴットを、ワイヤーソーやスライスマシンなどの専用ノコギリを使用してスライスし、枚葉のウエハ形状に切り出します。

③ベベリング

スライシング工程で作成したウエハの側面を、ダイヤモンド砥石などを使用して面取りし、形状を正円に整えます。

④研磨(ラッピング)

ウエハの表面を両面とも研磨材を使用して粗く研磨し、スライシング工程での厚みバラつきや発生した歪み・キズを修正します。

⑤エッチング

ラッピング工程で修正できないレベルの微細な歪みやキズを、化学的なエッチングによって整えます。また、これまでの製造工程で付着した研磨剤や不純物、パーティクルなどもエッチング工程で除去します。

⑥熱処理(アニーリング)

ウエハをアニールやCVDなどによって熱処理し、シリコン内の酸化ドナーを消滅させたり結晶欠陥を低減させることによって、抵抗値を安定させます。

⑦ポリッシング

平坦化装置(CMP)を用いて、ウエハ表面を極微細粒子(スラリー)によって研磨し、キズや凹凸、不純物などを取り除きつつ、平坦性を向上させて鏡面仕上げします。

⑧洗浄・乾燥

加工が終了したウエハ上の付着異物や汚れなどを落とすために、バッチ洗浄装置や枚葉洗浄装置を使用して、物理的・化学的に洗浄します。

⑨品質・特性検査

ウエハ表面に付着しているパーティクルや汚れ・キズなどの欠陥や平坦度などを、目視検査や検査機器によって検査します。また、結晶方位や抵抗率などの特性検査も行われます。

2.ウエハ製造に必要な技術

(1)ウエハの製造工程に対応した装置の導入

シリコンウエハの各製造工程ではそれぞれ必要な装置があり、それらを選定した上で生産ラインに導入しなければいけません。

ウエハのスライシングやラッピングといった機械加工工程では、加工精度が求められるため、機器の選定はもちろん保全・メンテナンスによる性能の維持も重要です。

洗浄工程では、ウエット洗浄を行う場合には、乾燥工程も合わせていかに洗浄度を上げるかはもちろん、装置自体のクリーン度管理も非常に重要です。

検査工程では、後加工の半導体製造の歩留まりにも直結する外観や低効率、平坦度などの検査が必要です。検査装置の選定はもちろん、検査工程の順序最適化などによって生産効率を考慮しなければなりません。

(2)ウエハの大型化への対応が必要

シリコンウエハの直径は、1980年代に使用されていた150mmから、2000年代には300mmと大型化が進んでおり、450mmのシリコンウエハの使用も検討されています。これは、1枚のウエハ上で形成できる半導体チップ数を増やしてコストダウンするのはもちろん、性能向上に伴うチップサイズ大型化といった理由もあります。

ウエハのサイズが変われば、加工工程はもちろん、ハンドリングや洗浄工程などの付随工程でのトラブル発生の可能性も高まります。ウエハの原料となるシリコンインゴットの大径化という課題もあるため、自社でどのサイズに対応する必要があるのか、半導体業界の動向を注視する必要があるでしょう。

3.ウエハ製造工程で注意すべきポイント

シリコンウエハには、高いクリーン度が求められます。半導体製造の際には、シリコンウエハ上にナノオーダーの超微細な配線パターニング加工が行われるため、微小なパーティクル(塵)があれば、配線の断線や形状不良といった加工阻害要因になります。

また、パーティクル以外にも、汚染(コンタミ)も嫌われます。特に、半導体デバイスの電気の流れに影響を与えるアルカリイオンや金属汚染はもちろん、有機汚染物質も半導体製品性能に大きな影響を与えます。そのため、パーティクルや汚染の発生対策や洗浄工程における洗浄力の向上、欠陥などを見つける検査レベルの向上も必要です。

(1)製造工程の自動化

半導体製造工程においては、工程によってはクラス1以下のクリーン度が求められるため、パーティクルの侵入や有機汚染などへの対策が必要です。

そのため、製造工程内のクリーン度の維持はもちろん、発塵や汚染の原因となる人の立ち入りなどは極力減らすことが肝要です。そのため、ウエハ製造工程の自動化は解決策の一つとなるでしょう。

(2)洗浄工程の見直し

ウエハの製造工程で重要な位置付けである洗浄工程についても、ドライやウェットなどの用途に応じた洗浄方式の選定や、生産効率と洗浄度のバランスを考慮した洗浄ラインの構築が必要になります。

①バッチ式洗浄装置

ウエハを複数枚同時に洗浄できるバッチ式洗浄装置は、生産効率が高くなるため、ウエハの生産コストダウンに繋がります。ただし、ウエハのサイズが大きくなれば、均一な洗浄を同時に行うことが困難になります。

②枚葉式洗浄装置

枚葉式洗浄装置は、ウエハを一枚づつ洗浄する方式であるため、生産効率はバッチ式洗浄装置に劣ります。ただ、1枚づつの洗浄効果は高く、大型ウエハの使用には最適です。各洗浄工程の時間を短縮するなどして、生産効率を高める対応が必要となります。

(3)検査工程の自動化

ウエハの製造工程の歩留まり向上には、ウエハの品質検査速度の向上も必須です。必要な検査を自動かつ高速で行うためには、カメラなどのハードウェアはもちろん、画像処理やロボットへの位置データフィードバック、検査結果処理などに必要なソフトウェアの最適化も重要な要素です。

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日本サポートシステムでは、SIerとして生産ラインの自動化サポートの経験も豊富であり、検査工程についても画処ラボといった外観検査システムに特化したソリューションを提供しております。半導体製造装置の導入にお困りの際には、お気軽にご相談ください。

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