半導体

半導体製造・クリーンルームでの露点計・酸素濃度計・温湿度計・風速計

半導体とは
半導体とは、半導体集積回路の略称です。電気をよく通す性質を持つ「導体」と、電気をあまり通さない性質を持つ「絶縁体」の両方の性質を備えた物質です。
また、半導体を使ったトランジスタ(電気の流れをコントロールする部品)やダイオードなどの電子部品等で構成される回路をIC (Integrated Circuit 集積回路)と呼ぶこともあります。 導体は鉄などの金属、絶縁体はゴムなどを想像すると分かりやすいかもしれません。

半導体の構造
前述の通り、半導体とは電気を通す「導体」の物質と電気を通さない「絶縁体」物質の間の性質があります。 「導体」「絶縁体」「半導体」の違いとして知られているのは、専門的な言葉を使えば、「禁止帯(バンドギャップ)」のエネルギー幅の差です。電子に占有された最も高いエネルギー帯「(価電子帯)」から、 最も低いエネルギー帯「(伝導帯)」の下端迄のエネルギー帯の間を禁止帯と呼んでおりその価電子帯と伝導帯の間の電子が存在出来ないエネルギー帯を禁止帯と呼んでおります。禁止帯がない例として、 金属系が挙げられます。金属は、電気を簡単に通すものが多い、即ち電子が容易に移動できるためです。反対に、禁止帯が大きい例として、セラミック、ゴム、ガラス等が挙げられます。電子が移動できない為、 電気が流れず絶縁体として呼ばれるものが多いです。
一方で半導体は、禁止帯が金属よりは広く、絶縁体よりは小さい場合、熱や電圧等の電子にエネルギーをかけることで電気が流れます。なので、半導体自体にあえて不純物を混ぜることで、電子や(原子)空孔の流れを変え、電気性質も制御できます。このあえて加える不純物 によって、半導体をn型、p型と分けます。

n型半導体:真性半導体(シリコンSiのみで構成されている半導体)に元素周期表におけるⅣ族(シリコン、ゲルマニウムGe等)の元素中に微量のⅤ族(リンP、ヒ素As、アンチモンSb等)の元素を添加したものです。 Ⅴ族を添加すると、Ⅴ族の持っている価電子の内の余剰な電子1つが自由に動き回れ(自由電子)ます。自由電子はマイナスの電荷をもっており、移動することで電気抵抗を減らしエネルギーをかけると +極へと引き寄せられることで電流が流れ、半導体としての性質が現れます。
p型半導体:真性半導体に元素周期表におけるⅣ族(シリコン、ゲルマニウムGe等)の元素中に微量のⅢ族(ホウ素BやインジウムIn等)の元素を添加したものです。 Ⅳ族に微量のⅢ族を添加すると、電子が1か所不足しその欠落した穴を正孔(ホール)と呼んでいます。この状態で電圧をかけると、近くにいた電子がこのホールへ移動してきます。 更に、この電子の移動により他の場所で正孔ができてしまいます。この繰り返しで、電子がどんどんと-極側へ移動していくように見えます。そのため、エネルギーをかけると+極へと引き寄せられることで電流が流れ、半導体としての性質が現れます。

n型半導体とp型半導体の接合により電流を一定方向にのみ流す機能が付与されます。 接合により、n型半導体の自由電子とp型半導体の正孔が引き付け合い、接合面で結合し消滅します。すなわち、接合面にて電子が存在しなくなってしまい、絶縁体と同じ状態になってしまいます。この電子が存在しなくなる層を空乏層と呼ばれています。 この絶縁体の状態で、n型半導体側にー極、p型半導体側に+極をつないで、電圧をかけると、n型からP型に電子が流れ込みます。

半導体製造工程
半導体はとても精密なものなので、製造工程がとても多く存在します。その工程を大きく2分割し、「前工程」と「後工程」と呼んでいます。前工程は、半導体の構造ができるまで、後工程は、半導体の最終製品ができるまで、という考え方をすれば分かりやすいかもしれません。

●前工程
1)回路・パターン設計
まずはどのような半導体を作るのか、つまり回路のパターンを設計します。半導体の用途によって必要な回路パターンは違うので、設計も都度変わってきます。パターンは複雑なため、動作試験を何度も行い完成させるようです。

2)フォトマスク作成
半導体基板上に1)で設計した回路を転写するためのマスクを作成します。ここまではパソコンを使用したデスクワークです。

3)シリコンインゴット切断
半導体の基盤はシリコン単結晶です。まずはこの液体シリコンの単結晶を維持しながら引き出し、シリコンインゴットを製作します。このシリコンインゴットをワイヤーソーで薄切りにして、円板状のウェハー―を作成します。 シリコンインゴットは円形、半導体は通常四角ですので、ウェハー1枚でこの四角を何枚取れるかで生産効率に直接的に影響します。2022年現在では通常300mm以上、450mm以上のものも存在しています。

4)シリコンウエハーの研磨
シリコンウエハーの表面は凹凸がある為、平滑化する必要があります。平滑化するために、研磨材や研磨パッド等を使用し、鏡面状態にしていきます。ここからテクネ計測の露点計や酸素計の出番が来ます。研磨後のウエハーは酸化するとそれが外乱要因になってしまいますので、低酸素濃度になっていることを確認していく必要があります。

5)シリコンウエハーの酸化
ここからは、半導体を作るための積層の工程となります。各工程の内、必要な工程を何度も繰り返し、製品を作っていきます。 シリコンの酸化物は絶縁層、つまり電気を通さない層なりますので、絶縁層が必要な際に、高温で酸化を行い厚い酸化膜を形成します。

6)薄膜形成
シリコンウエハーの表面には、回路の材料である薄膜をつける工程があります。 薄膜の方法には、いくつかありますが、以下の2つが現在実用化されているものです。なお、水分や酸素を除去するためには、真空状態にして処理を行うか、窒素(N2)やアルゴン(Ar)など不活性なガスで置換します。真空状態で処理ができれば、そもそも何もない状態ですので、水分や酸素などの不純物が存在していない可能性が高いため、優先的に選択されます。
下記の各工程は、代表的な真空工程です。
CVD(Chemical Vapor Deposition)法:薄膜したい材料のガスを用い、化学的な反応で、膜を付ける方法 スパッタリング法:薄膜形成の材料を用い、放電させることで材料がイオン化し、これをシリコンウエハーの表面に衝突させ膜を付ける方法

7)フォトレジスト塗布
光に反応し、9)のエッチングに耐えるフォトレジストと呼ばれるものを塗布します。 これにより、必要な回路パターンのみを焼き付けることができます。

8)露光
光を照射させ、光が当たった部分のフォトレジスト膜だけを変化させシリコンウエハーの表面に転写させます。この工程が最も微細技術を求められると言ってもいいでしょう。 そして、現像液に浸しシリコンウエハー上の露光された部分のみを溶かします。この際残った部分のフォトレジスト膜が9)のエッチングのマスクです。

9)エッチング
酸化膜や薄膜を溶液で削り取る作業です。フォトレジストが残っている部分は、削られません。エッチングの種類には、溶液を用いるウェットエッチングとガスを用いるドライエッチングがあります。

10)レジスト剥離・洗浄
残ったフォトレジストを薬剤やガスとの化学反応で剥離します。 最後に洗浄を行えば、意図した回路ができます。

11)イオン注入
熱処理によって活性化される不純物イオンを添加させることで、半導体の特性を変化させることができます。

12)シリコンウェハー平滑化
薄膜が付与されたりと、シリコンウエハー自体に凹凸がある場合があるので、再研磨します。 7)フォトレジスト塗布~12)シリコンウエハー平滑化までの工程を繰り返すことで、 目的の回路を作ります。

13)電極形成
シリコンウエハーに金属を埋め込みます。

14)ウェハー欠陥検査 
プローバーという直立型の検査機器を用いて、シリコンウエハー内の1つ1つが当初設計した機能を持っているかを試験します。

●後工程
1)ダイシング加工
ダイサーを用いて、作成した半導体をウェハーから1つ1つカットしていきます。

2)ボンディング
チップとの配線を可能にするために、基板との接触する部分の導電足を付けます。半導体を見ると、ほとんどのものに足がついていますよね。

3)モールディング
樹脂やセラミックスを用いて、封入します。この工程で内部に不純物が入ると、半導体の寿命短縮や、そもそも不良になってしまうため、不純物を管理した処理が行われます。この処理により、キズがついても内部が壊れない状態となります。

4)完成
各種試験を行い、完成です。

半導体製造に必要不可欠なクリーンルーム
私たちの周りに存在している空気は、一見きれいなように思えても、本当は微細なゴミや目に見えないウィルスや細菌が存在しています。 このような環境で半導体製造を行うと、そもそも半導体は微細構造ですので、微細な埃が回路の間に付着しただけでも不良品となってしまう可能性が大幅に増加します。半導体ではないですが、もしもあなたが手術を受ける場合、手術室がこのような環境ですと、感染症の不安がありますよね?  そんなとき、高度な衛生基準を満たすために作られたのがクリーンルームです。クリーンルーム内の空気は、高性能のフィルタを通し、ごみのない綺麗な空気で満たされています。クリーンルーム内の空気は外部より気圧が高く設定されています。これはクリーンルーム内を陽圧に保つことで、出入りの際に外部から汚れた空気が侵入しないようにするためです。 クリーンルーム内の清浄基準は、2011年までは米国連邦規格209E洗浄度クラスにより、クラス100とかクラス1000と言っていました。現在では、ISOに従い1立方メートル当たりの0.1μ以上のほこりの数でクラス1~9となっています。 尚、テクネ計測ではクラス5に該当するクリーンブースを保有しています。

半導体開発/製造・クリーンルームでの露点計・酸素濃度計・温湿度計・風速計
半導体開発/製造プロセスにおいて、パーティクルや水分・酸素などの外乱要因の除去は大きな課題です。外乱除去の確認のため、当社の露点計や温湿度計、酸素濃度計が半導体の製造、搬送、検査等様々な工程で使用されています。 また除湿エアー(ドライエアー)の除湿度や窒素ガス・アルゴンガス・ヘリウムガス・水素ガス等のガス純度測定・管理のためにも使用されています。逆に、水分量が多いことが必要なプロセスもあり、 このプロセスでは、水分量を一定に保つために、露点計による測定が行われます。下記のような製品が主に使用されています。
●水分計測
①水分量が極微量(ppb ~ 1桁ppm)で管理されるプロセス
 ⇒最低-100℃露点まで測定可能なTK-100静電容量式露点計(酸化アルミタイプ)
②水分量が微量(ppm)で管理されるプロセス
 ⇒最低-60℃露点までのTE-660露点計(高分子タイプ)
③最重要プロセス、露点計の基準器として
 ⇒-95℃~+99℃露点まで測定できるMBW鏡面冷却式(ミラー式)露点計
④相対湿度レベルの管理が必要なプロセス・クリーンルーム
 ⇒簡易型のEE060
⑤水分が多い必要があり、一定水分量を管理する必要があるプロセス
 ⇒高温・高湿下測定を主とする結露防止環境下での対策が施されたEE33温湿度計
●酸素濃度計測
①水素置換などによる酸素除去が必要なプロセス
 ⇒1 ppm以下を確認できる、2001LCガルバニ電池式酸素濃度計
②水素が存在しない状態で微量酸素濃度の測定が必要なプロセス
 ⇒ppbレベルまで測定可能な、Model 4100ジルコニア式酸素濃度計
●風速計測
①クリーンルームや製造装置内で気体の流れが重要になるプロセス
 ⇒微風計測が可能な風速計

主な製品