シリコンウェーハは何に使われるのか？

シリコンウェハーは、通常、不純物が 1 ppb 未満の高純度シリコンの単結晶から作られています。チョクラルスキー法は、この純度の大きな結晶を形成する最も一般的な方法で、溶融シリコン (一般にメルトと呼ばれる) から種結晶を引き出します。種結晶は、次にブールと呼ばれる円筒形のインゴットに形成されます。

一般的には、n 型または p 型の半導体にするために、ウェーハの電気的特性を制御するために、ホウ素やリンなどの元素をブールに正確な量で添加することがあります。次に、ブールはワイヤソー (ウェーハソーとも呼ばれる) で薄いスライスに切断されます。切断されたウェーハは、さまざまな程度に研磨されることがあります。

シリコンウェーハは何に使用されますか?

シリコンウェーハは、電子産業で一般的に使用される結晶シリコンの薄片です。シリコンがこの目的で使用されるのは、シリコンが半導体であるためです。つまり、シリコンは電気の強力な導体でも強力な絶縁体でもありません。シリコンは天然に豊富に存在することやその他の特性から、ウェーハの製造にはゲルマニウムなどの他の半導体よりもシリコンが一般的に好まれます。

シリコンウェーハの最も一般的な寸法は、その用途によって異なります。IC に使用されるウェーハは円形で、直径は通常 100 ～ 300 ミリメートル (mm) です。厚さは一般に直径とともに増加し、通常は 525 ～ 775 ミクロン (μm) の範囲です。太陽電池のウェーハは通常、1 辺が 100 ～ 200 mm の正方形です。厚さは 200 ～ 300 μm ですが、近い将来には 160 μm に標準化される予定です。

集積回路

IC は、マイクロチップまたは単にチップとも呼ばれ、半導体材料の基板に埋め込まれた電子回路のセットです。現在、IC の最も一般的な基板は単結晶シリコンですが、ワイヤレス通信デバイスなどの一部のアプリケーションではガリウムヒ素が使用されています。シリコンゲルマニウム合金製のウェーハも、シリコンゲルマニウムの高速性がコストの高さに見合うアプリケーションで広く使用されるようになっています。

現在、IC はほとんどの電子機器で使用されており、事実上、個別の電子部品に取って代わっています。IC は個別の部品に比べて、桁違いに小型で、製造速度も速く、コストも安価です。エレクトロニクス業界で IC が急速に普及している理由には、IC のモジュール設計による大量生産が容易なことも挙げられます。

これらの層は、通常の写真と同様の方法で現像されますが、可視光の波長は長すぎて必要な精度で特徴を形成できないため、可視光ではなく紫外線が使用されます。現代の IC の特徴は非常に小さいため、プロセスエンジニアは電子顕微鏡を使用してデバッグする必要があります。

IC製造

自動テスト装置 (ATE) は、IC の製造に使用する前に各ウェハをテストします。このプロセスは、一般にウェハプロービングまたはウェハテストと呼ばれます。次に、ウェハはダイと呼ばれる長方形のピースにカットされ、通常は金またはアルミニウムで作られた導電性ワイヤを介して電子パッケージに接続されます。これらのワイヤは、サーモソニックボンディングと呼ばれるプロセスで超音波を使用して、通常ダイのエッジの周囲にあるパッドに接着されます。

完成したデバイスは、通常 ATE と産業用コンピューター断層撮影 (CT) スキャン装置を使用して最終テスト段階を経ます。テストの相対コストは、デバイスの歩留まり、サイズ、コストによって大きく異なります。たとえば、安価なデバイスの場合、テストは総製造コストの 25% 以上を占めることがあります。しかし、歩留まりの低い大型で高価なデバイスの場合、テストは実質的に無視できるほどです。

テクニック

IC の製造は、多くの特殊な技術を使用する高度に自動化されたプロセスです。これらの機能により、製造施設の建設コストが高額になり、2016 年時点で 80 億ドルを超える可能性があります。このコストは、さらなる自動化の必要性が続くため、インフレ率よりもはるかに速いペースで増加すると予想されます。

トランジスタの小型化の傾向は当面続くと予想され、2016 年には 14 nm が最先端技術となります。Intel、Samsung、Global Foundries、TSMC などの IC メーカーは、2017 年末までに 10 nm トランジスタへの移行を開始すると予想されています。

大型のウェハーは規模の経済性をもたらし、IC の総コストを削減します。市販されている最大のウェハーは直径 300 mm で、次の最大サイズは 450 mm になると予想されています。ただし、このサイズのウェハーを製造するには、依然として大きな技術的課題が存在します。

IC の製造に使用されるその他の技術には、Intel が 2011 年から 22 nm 幅で製造しているトライゲートトランジスタがあります。IBM は、ウェーハからシリコンゲルマニウム層を除去する、SSDOI (Strained Silicon Direct On Insulator) と呼ばれるプロセスを使用します。

銅は主にその優れた電気伝導性により、IC のアルミニウム相互接続に取って代わっています。低誘電率絶縁体とシリコンオンインシュレータ (SOI) も IC の高度な製造技術です。

半導体に関するその他のリソース

基本的なウェーハ用語と定義
Siウェハのオフアクシス切断
シリコン中の酸素の沈殿
シリコンの応用に関連したガラスの特性
Si ウェーハの SEMI 仕様ガイド
シリコンのウェットケミカルエッチングと洗浄

太陽電池

太陽電池は光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換します。一般的に、何らかの物質が光を吸収して電子をより高いエネルギー状態に励起します。これは光電池の一種で、光にさらされると電気特性が変化する装置です。太陽電池は「ソーラー」という語から太陽光が必要であることが分かりますが、あらゆる光源からの光を使用できます。

エネルギー源としての電気の生成は、太陽電池の最もよく知られた用途の 1 つです。このタイプの太陽電池は、光源を使用してバッテリーを充電し、電気機器に電力を供給します。

太陽電池は、多くの場合、電力を供給するデバイスに組み込まれています。たとえば、ホームセンターでよく販売されているソーラーライトは、日中に太陽電池を使用してバッテリーを充電します。夜間は、バッテリーがモーションセンサーに電力を供給し、動きを感知するとライトが点灯します。

太陽電池は、第 1 世代、第 2 世代、第 3 世代に分類できます。第 1 世代のセルは、単結晶シリコンやポリシリコンなどの結晶シリコンで構成されており、現在最も一般的なタイプの太陽電池です。第 2 世代のセルは、アモルファスシリコンで構成される薄膜を使用し、通常は商用発電所で使用されます。第 3 世代の太陽電池は、さまざまな新興技術で開発された薄膜を使用し、現在のところ商用アプリケーションは限られています。

太陽電池の製造

第一世代の太陽電池の大部分は結晶シリコンで構成されていますが、その構造品質と純度は IC で使用されるものよりはるかに劣っています。単結晶シリコンはポリシリコンよりも効率的に光を電気に変換しますが、単結晶シリコンはより高価でもあります。

ウェーハは正方形にカットされて個々のセルを形成し、次に角が切り取られて八角形になります。この形状により、ソーラーパネルは独特のダイヤモンドのような外観になります。ソーラーパネルを構成するセルはすべて、変換効率を最大化するために同じ平面に沿って配置する必要があります。パネルは通常、ウェーハを保護するために太陽に面した側がガラス板で覆われています。

太陽電池は、特定の要件に応じて、直列または並列に接続できます。セルを直列に接続すると電圧が上昇し、並列に接続すると電流が増加します。並列ストリングの主な欠点は、影の影響により影になっているストリングがシャットダウンし、光が当たったストリングが影になっているストリングに逆バイアスをかける可能性があることです。この影響により、電力が大幅に失われ、セルが損傷することもあります。

この問題の推奨される解決策は、セルのストリングを直列に接続してモジュールを形成し、最大電力点トラッカー (MPPT) を使用してストリングの電力要件を互いに独立して処理することです。ただし、モジュールを相互接続して、必要な負荷電流とピーク電圧を持つアレイを形成することもできます。影の影響によって発生する問題に対する別の解決策は、シャントダイオードを使用して電力損失を減らすことです。

サイズの増加

半導体業界ではブールの大型化が進み、太陽電池のサイズも大型化しています。1980 年代に開発された太陽電池パネルは、直径 50 ～ 100 mm のセルで作られています。1990 年代から 2000 年代にかけて製造されたパネルでは、通常、直径 125 mm のウェハが使用され、2008 年以降に製造されたパネルでは、156 mm のセルが使用されています。

シリコンウェーハの使用

シリコンウェーハは、集積回路 (IC) の基板として最もよく使用されますが、光電池 (ソーラーセル) の主要コンポーネントでもあります。これらのウェーハを製造する基本的なプロセスは、どちらの用途でも同じですが、IC で使用されるウェーハには、はるかに高い品質要件があります。これらのウェーハには、イオン注入、エッチング、フォトリソグラフィーパターン形成などの追加の手順も施されますが、これらはソーラーセルには必要ありません。