生活を豊かにするシリコンウエハーについて解説！

このサイトでは、シリコンウエハーについて紹介しています。
生活を豊かにするための電子製品に搭載されている半導体に使われる材料で、日常的に目に触れることはありませんがなくてはならないものです。
ウエハーという名前はお菓子とかキリスト教のミサが語源なのでしょうか？それにきらきら輝いて見える理由や、どのような用途でよく使用されているのかについても紹介します。
そしてどのようにして作られるのかその製造工程にも迫ってみましょう。

今や生活になくてはならない縁の下の力持ち！シリコンウエハーの疑問を解決！

シリコンウエハーの原材料は、珪石です。
高純度な珪石を精製して多結晶シリコンを作り、それを単結晶化して一つ一つのインゴットに精製します。
それがシリコンウエハーとして顧客である企業に販売されます。
シリコンウエハーは、主に携帯電話やテレビなどの液晶ディスプレイによく使われますが、シリコンウエハーからどのようにして液晶画面を作るのでしょうか。
その疑問に答えると、まずはガラス基板に電気回路機能をつけるための「アレイ加工」を行い、次にカラーを表示する赤と青と緑の3色を形成するカラーフィルター工程を経て、液晶セルに駆動用のドライバICやバックライトユニットを取り付けて「液晶モジュール」を作成することで液晶画面が完成します。

シリコンウエハーは半導体素子を作る際の基本

現代社会を支えているものは半導体です。
なぜこの半導体が現代社会を変えるほどの影響力を持っているかと言うと、複雑な入力に対して様々な応答ができるというものが作り出せるからです。
このようなものが集積されたものが集積回路であり、それを利用しているのが私達がよく使っているコンピューターやスマートフォンということになります。
このようなデバイスを利用することによって、私達は効率的に仕事を行ったりゲームなどで楽しんですることが可能となってきています。
このような半導体で電子素子を作る際に必須のものというのがシリコンウエハーです。
ほとんどすべての電子機器はこのシリコンウエハーを利用していると言っても過言ではありません。
シリコンというのは代表的な半導体です。
これを薄い板状にしたものがウエハーと呼ばれます。
シリコンウエハーを加工することによって半導体素子が作られることになります。
もしシリコンウエハーが無ければ、現代のような電子機器は存在しないと言っても言い過ぎではありません。
多くの人がこのようなことはよく知らないというのが当然のことなのですが、このような縁の下の力持ちがいることを忘れてはいけません。
またこのようなことを知っていれば、世の中でなぜ様々な地下資源が重要とされているかということも分かると思います。

シリコンウェハーのシェアの半分を占める日本とその製造の問題

近年、技術の向上によりスマートフォンやパソコン等の端末に使われている半導体の需要が高まっています。
同時にそれらに使われている基盤のシリコンウェハーの需要も高まっています。
そもそもシリコンウェハーとはシリコンを丸い形をした薄い板にしたもので、この板の内部に回路を書き込むことによって利用されます。
書き込む回路の量により、性能も向上するため、技術のさらなる向上に注目されつつあります。
この素材は半導体製品を作る上でとても重要な役割を果たしているのです。
シリコンウェハーの世界市場シェアは2021年の時点では上位に日本の会社がシェアを持っており、世界の半分以上も占めています。
ですが、製造の参入障壁が高さが原因の不足が問題視されており、2023年までに供給が増えなければ、本格的な不足問題にもつながると言われています。
この様に、半導体業界全体に大きく影響しつつあるシリコンウェハーが不足すると技術向上だけではなく、様々なビジネスにも影響を受ける可能性があるのです。

シリコンウェハーは宇宙開発事業の進展のカギを握る素材となる

日本では中国やロシア、アメリカのように自国でスペースシャトルを打ち上げることはありません。
この結果、日本は一見すると宇宙開発事業に力を入れていない先進国と言われることが多々あります。
ところは実際は非常に大きな役割を担っており、国際宇宙ステーションが今現在宇宙空間で生活拠点として機能をしているのは、日本の技術があってこそです。
その役割の概要について、ここで簡単に解説をしていきましょう。
ISの全体はシリコンウェハーで形成をされており、これが強い放射線・または紫外線から人間である宇宙飛行士を守っています。
シリコンウェハーとはマイクロメートルの非常に細かい合成樹脂で作られた素材で、世界では国内でしか生産をすることができません。
宇宙開発事業を今後も推し進めるためには必要不可欠な素材となっており、シリコンウェハーがあるからこそ、長期間ISに飛行士たちが暮らしながら研究を続けられているということになります。

シリコンウェハーとは？身近なスマートフォンにも使用！

シリコンウェハーはシリコン製の表面が平坦の円板状をしている部品です。
半導体を形成している部品のため現代社会では必要不可欠な部品といえるでしょう。
シリコンウェハーの製造工程は成膜・露光・現像・エッチングと言う工程を繰り返し行うことで回路が形成され、半導体へと組み込まれていきます。
ダイオードやトランジスタ、ICなどのデバイスに使用されます。
身近な例で言えば、スマートフォンやPC、ゲーム機器などに使用され、私たちの生活を支えている部品の一つと言えます。
スマートフォンやPCでは、主要なコンピューター回路の一つです。
CPUやメモリーにも使用されており、システムの基盤とも言える部品です。
シリコンウェハーは電気を遠さない導体に電気を通す役割を果たしているため、品質の良い半導体を作る上では必要不可欠な存在です。
そのため、デバイスの性能向上には良い半導体が欠かせないため、品質の良いシリコンウェハーの獲得はより、重要視されるでしょう。

注目を集めているシリコンウェハーと多結晶シリコン

日本でも注目を集めているシリコンウェハーは、様々な特徴を持っています。
シリコンウェハーは、高純度の多結晶シリコンを使っている円形の薄い板です。
ICと呼ばれる集積回路からトランジスタまで、様々な半導体デバイスを生み出します。
シリコンウェハーはスマートフォンやパソコン、家電製品に搭載されている半導体の基板にも欠かせない部品です。
国内では環境に優しい太陽光発電システムが脚光を浴びていますが、太陽電池の製造でも重要な役割を担っています。
半導体デバイスの大切な基礎を担っているシリコンウェハーは、表面を研磨して美しく整えます。
スライスした板に面取り加工を施し、両面を平行になるように整えてラッピングします。
表面を研磨剤で磨くと、厚みが滑らかになって歪みもなくなります。
特殊な板状や布状の道具を使用して、平坦度を上げて鏡面に仕上げるために丁寧に磨きます。
洗浄した後に厳しい検査を経て完成し、世界中の様々な電子部品に使われます。

宇宙開発の要となっているシリコンウェハーと珪石の加工法

日本では自国でスペースシャトルを打ち上げることはありませんが、宇宙開発事業においては右に出る国はありません。
その証明となっているのが世界20か国が共同使用・所有をなされている国際宇宙ステーションの存在です。
外装から内装に至るまで、シリコンウェハーと呼ばれる素材で作られているのが特徴になります。
このシリコンウェハーは日本が1970年に生み出した素材で、高い耐熱性・耐久性をそなえた物質です。
簡単にシリコンウェハーの概要をここで解説をすると、珪石と呼ばれる石を加工してプレート状にされているものになります。
珪石をマイクロメートル以下の糸状に噴射をして、それを約2000度の高温で圧縮します。
その結果、硬くて遮熱性も持つ物質となるわけです。
宇宙空間では非常に強い放射線と紫外線が降り注ぎますが、現時点で地球上でそれらを遮れるのがシリコンウェハーのみです。
宇宙開発を推し進めるには、この物質の存在が必要不可欠ということになります。

意外にも素朴な原材料から作られるシリコンウェハー

シリコンウェハーに使われている原材料は、簡単に言うと石です。と言ってもその辺の道端に落ちている石ころから作られているわけではもちろんありません。
シリコンウェハーに適した最適な原材料として、珪石と呼ばれるケイ素が含まれている石が使われています。
ただし石の状態ではもちろん半導体の基盤になることができません。様々な製造工程を経て、仕上げる必要があります。まず珪石は、金属シリコンにするためアーク炉と言われる還元装置に入れられます。この装置によって純度が99%程度の金属シリコンが作られるというわけです。
そこから多結晶シリコンにするため、化学反応方式によって生産していきます。さらに石英るつぼに入れて溶かした上で、それを回転しながら上に引き上げると単結晶シリコンの完成です。
あとはおなじみのシリコンウェハーにするために、高速のワイヤーで1mmくらいの薄さに切断します。これを何度も研磨や検査を繰り返すことで、おなじみのシリコンウェハーが完成します。

シリコンウェハーの生産工場が名水地に多い理由

半導体を生産する上で欠かせない素材の一つにシリコンウェハーがあります。その製造工場は、いわゆる名水地と呼ばれる地域に建設されていることが少なくありません。その理由は、シリコンウェハーを製造するためには大量の水が必要になるためです。
シリコンウェハーの製造過程において水は欠かせないものです。例えば、CZ法と呼ばれる生産方法ではシリコンの原料を1000度以上の高温で溶かすという工程があり、その原料の冷却材として大量の水が使用されます。
また、ウェハーに付着した微粒子や汚染物質は少量であっても品質に多大な影響を及ぼすため、水を使って洗浄を行い様々な不純物を取り除いているのです。
こういった用途で使用された水は、廃棄されるのではなくリサイクルされて再びシリコンウェハーの製造に活用されます。必ずしも名水である必要はないものの、含まれる不純物が少なければリサイクル率が高まるという効果も期待され、研究が進んでいます。

シリコンウェハーの数種類ある中の数パターン

シリコンウェハーは、半導体製造において基板として使用されるシリコンの薄い円盤状の材料です。数種類のシリコンウェハーが存在し以下に代表的な3パターンを紹介します。
1.シングルクリスタルウェハーの単結晶シリコンから作られるウェハーであり、高い結晶性と均一性を持ちます。高性能なデバイスや集積回路の製造にとても適しています。
2.ポリクリスタルウェハーは、複数の結晶粒から構成されるウェハーで、結晶性や均一性はシングルクリスタルウェハーよりも劣ります。低コストな製造プロセスや大面積ウェハーの需要に適していると言えます。
3.エピタキシャルウェハーは、シングルクリスタルウェハー上にエピタキシャル成長によって作られるウェハーです。特定の薄膜や結晶構造の成長に適しており、高性能デバイスやヘテロ構造の形成に使用されます。
これらのシリコンウェハーは、異なる製造プロセスや応用に応じて選択されます。デバイスの性能要件、製造コスト、応用領域などを考慮して、最適なウェハーを選ぶことが不可欠でしょう。

シリコンウェハーの製造にクリーンルームが必要な理由

シリコンウェハーを製造する生産工場では必ずクリーンルームが設置され、その部屋で製造作業が行われています。なぜ一般の部屋での製造が出来ないのかという理由は複数あります。
シリコンウェハーは肉眼では見えないほどの微細な回路を搭載する構造になっています。その回路に空気中の微粒子や汚染物質が付着してしまうとそれが原因で正常な動作が出来なくなる可能性があります。
また、そういった環境下で製造されたウェハーは一見正常に動いているように見えても、一部分が基準を満たしていないということもあります。そうなると半導体の歩留まりが悪くなり、製造コストが高くなってしまうのです。
さらに、クリーンルームは微粒子や汚染物質を排除できるだけでなく、室温や湿度、さらには気圧まで部屋内部の環境をコントロールすることが可能です。その特長を活かしてシリコンウェハーの製造に最も適した環境を作ることで、品質が高いウェハーを安定して製造することが出来るようになります。

パワー半導体向けのシリコンウェハーに求められる特徴

シリコンウェハーはどんな半導体を作る場合でも使われる素材ですが、パソコンやスマートフォンに搭載される最先端プロセスの半導体で使われるウェハーと異なり、電気自動車や家電製品などに搭載されるパワー半導体では新しいシリコンウェハーの開発が進んでいます。
それが、炭化ケイ素を用いた次世代パワー半導体向けのシリコンウェハーで、これまで150ミリだったサイズが200ミリにまで大型化しています。この大型化によって一枚のウェハーから製造できる半導体の数が増え、低価格化が期待されているだけでなく、大電力を必要とする機器に求められる特徴を備えているのです。
まず、高い耐圧特性を持っています。そのため大きな電圧を扱っても壊れることがなく、電車でさえ動かすことが可能なのです。同様に、高い電力を制御するため抵抗特性は低く電流の流れを効率的に制御できるようになっていて、高い電力の発熱にも耐えられるよう熱伝導性が高いことも特徴です。

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