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3. エレクトロニクス・デバイスの基板

3.1 基板の機能 基板とは薄膜を形成するための平面状の板のことである。エレクトロニクス・デバ

イスを作製するためには厚み 1μm 以下の薄膜をよく使うが、薄膜は単独では自立で

きないので実用上はしっかりした板の上に形成して利用する。従って本来基板は薄膜

の機能を保持する 2 次的な機能を持つ。以上が狭義の基板である。これから発展して

エレクトロニクス機能をその上に支えて保つ平板上の物体をエレクトロニクス･デバ

イスの基板と呼ぶ。広義基板の機能には①基板自身が機能を持つ場合、②基板は保持

機能のみの場合、③上部薄膜の機能を誘発する機能を持つ場合、の 3 種類がある。幾

つかのエレクトロニクス･デバイスの基板の例を表 3-1 に示す。

表 3-1 エレクトロニクス･デバイスの基板の例 ① 自身が機能を持つ基板

半導体 IC ･･････ Si ウェーハ バルクSAWフィルター ･･････ LiNbO3単結晶 水晶振動子 ･･････ 水晶(SiO2単結晶)

② 薄膜保持機能のみの基板 サーマルプリンタヘッド ･･････ アルミナセラミックス基板 ハードデイスク ･･････ アルミニウム基板、ガラス基板 AM-LCD(a-Si TFT) ･･････ ガラス

③ 上部薄膜の機能を誘発する基板 GaAs 超高速 IC ･･････ シリコンウェーハ GaN青色レーザダイオード ･･････ サファイア(Al2O3単結晶)

3.2 ガラス基板 基板の代表例はガラス基板である。ガラスは非晶質の固体であるが、融点ははっき

りしないで軟化点から変形を始める。表 3-2 に 3 種類のガラス基板を比較して示す。

青板ガラス、白板ガラスの軟化点は組成により異なるので範囲で示してある。

表 3-2 ガラス基板の種類 名称 主成分 軟化点

青板ガラス(ソーダガラス) SiO2/Na2O/CaO 670~750℃ 白板ガラス(無ｱﾙｶﾘガラス) SiO2/B2O3/Al2O3 900~1150℃ 石英ガラス SiO2 1655℃ 図 2-1 に a-Si TFT AM-LCD 用白板ガラス基板の写真を示す。厚みは 0.7mm で様々な寸

法の基板があるが、現在最も大きなものは 3m×3m 程度である。

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図 3-1 白板ガラス基板

青板ガラスは断面が青色で、建築物の窓としてよく使われる。青板ガラスは主にフ

ロートで作製される。材料粉末を溶融して、溶融した大きな金属錫タンク(フロートバ

スと呼ぶ)の上に連続的に流し出すとガラスは錫よりも軽いので浮いて平面状になり、

一方の端を引張りながらローラーの上を通して冷却する。ガラスの厚みは表面張力、

重力、ガラスを引張る力の組合せで調整される。ガラスの中では最も融点が低く加工

が容易である。 白板ガラスは主としてダウンロード法またはフュージョン法で作製される。ダウン

ロード法は材料粉末を大きな容器で溶解し、その底に設けたスロットから流し出し、

スロットの下部側に設けた数対のローラーで挟んで引張りながら板にする。スロット

の幅で大体の厚みが決りその下部に設けた一対のローラーの間隙の幅により正確な

厚みが決る。フュージョン法では溶融したガラスを大きな長方形タンクの上部から溢

れさせて、タンクの外側の幅の長い方の 2 つの壁に沿って下側に流れるガラスがタン

クの下部で一緒になり融合して 1 枚の板になる。厚みは溶融したガラスを長方形タン

クに供給する速度とガラスの張力、引張りの力で調整される。ダウンロード法ではス

ロットによる微細な傷や凹凸が生じるので研磨して平滑性を向上する。フュージョン

法では表面の汚染、傷、うねりのない平滑な基板を得ることができる。 石英ガラス材料は常温では液体の四塩化炭素(SiCl4)である。これは少し温度を上げ

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ればすぐに蒸発してガスになるが、CVDにより高温で酸素と反応して高純度のSiO2 イ

ンゴットになる。このインゴットを一旦 1800℃の高温炉の中で溶融して冷却し大きな

塊にする。その後切断して研磨してガラス板に整形する。石英は硬いので切断にも研

磨にも特殊な工具と加工法が必要である。 3 種類のガラスの中で石英は最も機械的強度と耐熱性が高いが製造工程が長く特殊

なため最も高額である。白板ガラスはこれにつぎ、青板ガラスは最も安価である。し

かし a-Si TFT を使う AM-LCD のガラス基板には白板ガラスを使う。それはトランジス

タ機能を果す半導体のSi中にアルカリ金属のNa, Ca, K等が入り込むとこれらがキャリ

アーとなり半導体特性を劣化させるから、青板ガラスを使えないからである。 3.3 Si ウェーハ 図 3-2 に単結晶シリコンインゴットとシリコンウェーハの写真を示す。ウェーハの

サイズは様々であるが現在多く使われるのは直径 200mm または 300mm である。通常

IC 工場では写真に示すようにプラスチック製のカセットと呼ぶ容器に 25 枚まとめて

収容して取扱う。真新しいウェーハ表面は原子レベルの寸法で平滑に研磨処理されて

鏡面、一方裏面は粗面である。ウェーハにはまた結晶方位を示すオリフラ(orientation flatの略)またはノッチ(小さな切れ込み)が設けられており、外周は完全な円形ではない。

図 3-2 単結晶シリコンインゴットとシリコンウェーハ

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Si ウェーハの原料は珪砂と呼ばれる SiO2 を主成分とする砂である。砂をウェーハ

にするために 3段階の製造工程を経る。第一段階で高純度多結晶シリコンの塊にする。

第二段階で多結晶シリコンから出発して単結晶シリコンインゴットを作製する。第三

段階でシリコンインゴットを切断してウェーハの形状にする。以下にこの順序に従い

シリコンウェーハを作製するプロセスを簡単に説明する。

(1) 第一段階：高純度多結晶シリコンの作製

図 3-3 多結晶シリコン作製工程 (a)珪砂(SiO2)を 1800℃の電気炉の中で純度 98%の金属シリコン

に変換する：SiO2(S) + C(S) → Si + 2CO(G), (b)金属シリコンをトリクロルシランに変換する：Si(S) + 3HCl(G) → SiHCl3(L) + H2(G), (c)沸点 31.8℃のトリクロルシランを蒸留精製して純度をあげる, (d)トリ

クロルシランをガスにして送り熱分解して多結晶固体シリコンにする：2SiHCl3(G) + 2H2 → 2Si(S) + 6HCl(G)。化学反応式中のS, L, Gは固体、液体、気体を示す。

図 3-3 に高純度多結晶シリコンの作製を示す。出発原料は珪砂と呼ぶSiO2の砂であ

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る。地球上には珪砂は到るところにあるが、高純度のSiを効率よく得るために原料も

不純物の少ない良質の珪砂を使う。1800℃の電気炉の中で珪砂をコークスと混合する

と酸素は炭素と結合してガスになり溶融した状態の純度約 98%の金属シリコンが得ら

れる。おもな不純物はAlとFeである。次に粉末状態の金属シリコンを熱塩酸に溶かす

とトリクロルシリコンが得られる。トリクロルシリコンは常温では液体で沸点は

31.8℃であるが、そのまま続けて蒸留塔に送り精製する。次に液体トリクロルシリコ

ンを気化して水素ガスと共に高温反応炉に送り込みその中で分解して、純度 10N程度

の電子水準高純度多結晶シリコン(electronic-grade polycrystalline silicon, EGS)を得る。ガス

を熱分解化学反応により固体化するこの方法はCVD(chemical vapor deposition)と呼ばれる

が、多結晶シリコン材料作製に限らず今後もデバイスプロセス中で様々な固体薄膜を

作製するために応用される重要技術の一つである。図中の(c), (d)に示すように得られ

た多結晶シリコン直径 200mm、長さ数mの円柱状であり、以下ではこれを切断破砕し

て単結晶の原料として用いる。 (2) 第二段階：単結晶シリコンインゴットの作製 多結晶材料を電気炉中で高温溶解して徐冷して、結晶を析出するとともに高純度化

を行う。単結晶インゴット作成法にはゾーンメルト法(floating zone, FZ)とチョクラルス

キー法(Czochralski, CZ)の 2 種類がある。 FZ 法は水平に配置した長いボートの中に多結晶固体を入れてボートを幅の短い高

周波コイルで包囲して、ボートのコイルに囲まれた部分だけを誘導過熱して溶融する。

そしてコイルの位置をボートの長さ方行に沿ってゆっくり移動させると、溶融領域も

移動して一旦溶融した領域が単結晶になる。一般に物質中の不純物許容濃度は温度が

高いほど高濃度であるので、この操作により溶融領域に不純物が集まる一方で冷却し

た単結晶部分は高純度になり、最後に溶融されたインゴット端部に不純物が集積する。

インゴット端部の不純物濃度の高い領域を切り除き、再び FZ の操作を行うと更に高

純度の単結晶インゴットを得ることができる。FZ 法は開発された初期には水平配置ボ

ートで行なわれたが、現在ではインゴットを垂直に配置して高周波コイルをゆっくり

上側に移動する方式が採られる。 CZ 法は垂直に配置した円筒形の電気炉中で多結晶固体を溶融して、溶融表面に細

い種結晶の柱を触れさせてそれをゆっくり引上げる。溶融表面と種結晶の接触面は少

し温度が低いので単結晶が析出して、引上げるに従って太い単結晶円柱に発達する。 引上げる時は炉の中で溶融シリコン坩堝と種結晶を逆方向に回転したり、磁場を印加

したりして結晶性を高める細工をする。CZ はこの方法の発明者に因む命名である。

図 3-4 に CZ 装置の構成を示す。炉はグラファイトの外筒と石英ガラスの内筒の二重構

造で多結晶材料は内筒の石英坩堝に入れる。必要に応じて意図的な不純物である B, P, As 等を添加する。炉内には Ar ガスを流し込み、一方で Ar ガスの他に発生した SiO, CO等のガスも真空ポンプで排気する。FZ と同じく作製される単結晶インゴットの終端部

には不純物が多く集まる。意図的な不純物添加元素の濃度も完全には一様にならない。

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図 3-4 CZ 単結晶引上げ装置の構成

CZ 法は工程が簡単でまた大きな直径のインゴットを作るのに適しているために、

シリコン単結晶インゴットは現在ほとんどこの方式で作製される。特に超高純度単結

晶を得る場合のみ FZ 法が使われる。 (3) シリコンウェーハの作製 表 3-2 にインゴットからウェーハを作製する工程をまとめて示す。作製したばかり

のインゴットは円柱形に近いが、先端部・後端部の円錐形と円柱外周も波打っている

のでそれらは削除して完全な円柱部にする。また不純物濃度は後部に近づくほど高く

なるので、濃度均一性許容領域外は使用できない。濃度不均一性と整形のための削除

により、ウェーハとして使用可能なインゴットは作製したばかりの 40~70%程度である。

表 3-3 インゴットからウェーハを作製する工程

①インゴット整形 ②結晶方向表示(オリフラまたはノッチ) ③ウェーハスライス ④ラップ・グラインド ⑤端部処理

⑥化学エッチング ⑦両面/片面研磨 ⑧CMP(chemical-mechanical polishing:化学機械研磨 ) ⑨クリーニング (⑩エピタキシー)

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図 3-5 インゴットからウェーハへ

図 3-6 インゴット整形

インゴット整形にはダ

イヤモンド・カップ・ホ

イールを使いインゴット

を回転しながら外周を切

削する。インゴットを軸

に垂直方向に切断してウ

ェーハにするためには IDソウ(saw：鋸)を使う。こ

れは薄い円環の板であり、

円環の内側にインゴット

円柱を入れることができ、

円環内側にダイヤモンド

粉末を塗布した鋸の歯が

ついておりそれを円柱に

押し当てながら回転して

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切断する。最近は鋼鉄の細い線にダイヤモンド粉末を塗布したワイヤ・ソウ(wire saw)を押し当ててインゴットを一度に多数のウェーハに切断する方法も使われる。ウェー

ハ表面を平滑にするための研磨は数回に渡り行い、加工の後の平面粗さを次第に微細

にして、最後は CMP によりウェーハ全面に渡り大きなうねりは±20~25μm 以下、局

部的には原子レベルの平滑度を維持する。

図 3-8 ウェーハ生産面積の推移 (各曲線は異なるウェーハ径に対応、縦軸平方インチ)

図 3-7 CZ ウェーハ直径寸法・面積拡大の推移

(縦軸左：cm2, 縦軸右：平方インチ)

現在多く使われている

ウェーハ直径 200mm、厚

み 725±20μmとウェーハ

直径 300mm、厚み 775±25μm の 2 種類である。 図 3-7 にウェーハ寸法

と面積の拡大の推移を示

す。 図 3-8 に全世界で生産

されているウェーハの総

面積を示す。1997 年には

直径 150mm と直径 200mmのウェーハ曲線が交差し

ており面積では各々ほぼ

50%であったことがわか

る。また 2005 年には直径

200mm と 300mm の曲線が

交差しているので面積で

は各々ほぼ 50%であった

ことがわかる。

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3.4 エレクトロニクス･デバイスの基板の問題 (1) ガラス基板を価格の低い順に 3 種類あげよ。 (2) 白板ガラス基板の製法 3 種類をあげよ。 (3) 青板ガラスは白板ガラスや石英ガラスよりも安価なのは何故か。また石英ガラス

は三者の中で最も高価なのは何故か。一方 AM-LCD 用白板ガラス基板の厚みはどの

程度か。 (4) AM-LCD にはなぜ青板ガラスではなく、白板ガラスや石英ガラスの基板を使うのか。 (5) 金属シリコンの原料は何か。 (6) 固体金属シリコンを一度液体にしてから再度多結晶の固体にするのは何故か。 (7) 多結晶シリコンから単結晶シリコン・インゴットを作る 2 つの方式をそれぞれ何

と呼ぶか。 (8) 多結晶シリコンから単結晶シリコンインゴットを作る 2 つの方式 FZ 法と CZ 法の

内現在はどちらが多く使われるか。またそれは何故か。 (9) 単結晶シリコンインゴットを薄く切断してシリコンウェーハにする 2 種類の方式

を説明せよ。 (10) 現在主流シリコン・ウェーハの直径はいくらか。 (11) 200mm 及び 300mm のシリコン・ウェーハの厚みはどのくらいか。 (12) 単結晶シリコン・インゴットの内ウェーハになるのは全体の 66-40%である。何故

これほど少なくなるのか。 (13) 現在の最終シリコンウェーハ寸法は直径 200mm 厚み 725 μm, あるいは 300mm 厚

み 775μm である。この厚みの中で MOS トランジスタとして作用する厚みはどの

程度か。

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