ウェーハ製造

テクノロジーの進歩に伴い、その需要はウエハース上昇し続けています。現在、国内市場におけるシリコンウェーハの主流サイズは100mm、150mm、200mmです。シリコンの直径を大きくするウエハースチップごとの製造コストを削減できるため、300mm シリコンウェーハの需要が増加しています。ただし、直径が大きくなると、ウェーハ表面の平坦度、微量不純物の制御、内部欠陥、酸素含有量などの重要なパラメータに対する要件も厳しくなります。その結果、ウェーハ製造はチップ製造における研究の主な焦点となっている。

ウェーハの製造に入る前に、基礎となる結晶構造を理解することが不可欠です。

材料の内部原子組織の違いは、それらを区別する上で重要な要素です。シリコンやゲルマニウムなどの結晶材料は、原子が一定の周期構造で配列されていますが、プラスチックなどの非結晶材料にはこの規則正しい配列がありません。シリコンは、その独特の構造、有利な化学的特性、自然の豊富さ、およびその他の利点により、ウェーハの主要な材料として浮上してきました。

結晶材料は 2 つのレベルの原子組織を持っています。最初のレベルは個々の原子の構造で、結晶全体で周期的に繰り返される単位胞を形成します。第 2 レベルは、格子構造として知られるこれらの単位セルの全体的な配置を指し、原子が格子内の特定の位置を占めます。単位格子内の原子の数、それらの相対的な位置、およびそれらの間の結合エネルギーによって、材料のさまざまな特性が決まります。シリコンの結晶構造はダイヤモンド構造として分類され、対角線に沿って対角線の長さの 4 分の 1 だけオフセットされた 2 組の面心立方格子で構成されます。

結晶の周期性と対称性の特性により、原子の位置を記述するには、普遍的な 3 次元直交座標系を使用するのではなく、より単純な方法が必要になります。格子周期性に基づいて結晶内の原子分布をより適切に記述するために、3 つの指針に従って単位胞を選択します。この単位胞は結晶の周期性と対称性を効果的に反映し、最小の繰り返し単位として機能します。単位格子内の原子座標が決定されると、結晶全体にわたる粒子の相対位置を簡単に推測できます。単位格子の 3 つのエッジ ベクトルに基づいて座標系を確立することにより、結晶構造を記述するプロセスを大幅に簡素化できます。

結晶面は、結晶内の原子、イオン、または分子の配置によって形成される平坦な表面として定義されます。逆に、結晶方向はこれらの原子配列の特定の方向を指します。

結晶面はミラー指数を使用して表されます。通常、括弧 () は結晶面を表し、角括弧 [] は結晶方向を示し、山括弧 <> は結晶方向のグループを表し、中括弧 {} は結晶面のグループを表します。半導体製造において、シリコンウェーハに最も一般的に使用される結晶面は (100)、(110)、および (111) です。それぞれの結晶面には独自の特性があり、さまざまな製造プロセスに適しています。

たとえば、(100) 結晶面は、しきい値電圧の制御が容易な好ましい表面特性のため、MOS デバイスの製造に主に使用されます。さらに、(100) 結晶面を持つウェーハは処理中の取り扱いが容易で、表面が比較的平坦であるため、大規模集積回路の製造に最適です。対照的に、原子密度が高く、成長コストが低い (111) 結晶面は、バイポーラ デバイスでよく使用されます。これらの面は、種結晶の適切な方向を選択し、成長プロセス中に結晶の方向を注意深く管理することによって実現できます。

(100) 結晶面は Y-Z 軸に平行で、単位値 1 の点で X 軸と交差します。(110) 結晶面は X 軸と Y 軸の両方と交差し、(111) 結晶面は交差します。 3 つの軸すべて: X、Y、Z。

構造的に見ると、(100) 結晶面は正方形の形状を形成しますが、(111) 結晶面は三角形の形状になります。異なる結晶面間の構造の違いにより、ウェーハの割れ方も異なります。 <100> に沿って配向されたウェーハは正方形に壊れるか、直角 (90°) に破損する傾向がありますが、<111> に沿って配向されたウェーハは三角形の破片に分割されます。

結晶の内部構造に関連する独特の化学的、電気的、物理的特性を考慮すると、ウェーハの特定の結晶方位は全体の性能に大きな影響を与えます。したがって、製造プロセス中に結晶配向を厳密に制御することが重要です。

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