半導体が使われている集積回路製造の流れを紹介

2021.05.10(Mon)

半導体

半導体が使われている集積回路製造の流れを紹介

集積回路は小さな素子に多くの機能が備えられた、現代では欠かすことのできない重要なデバイスです。そしてこの集積回路を作るには半導体がなくてはなりません。なぜなら素子一つひとつを微細化できる点に半導体の特徴があるからです。本記事ではこの集積回路について、その製造の流れを紹介していきます。

半導体集積回路製造の概要

集積回路はその集積度を上げ、小さな領域に多くを詰め込めることが重視されます。そのため微細加工の技術も成長を続け、高性能な部品を作り上げ、現代のエレクトロニクス産業を支えています。

これは単純に小型化できるだけでの話ではなく、集積度を上げることによりさらに高い性能を発揮するためでもあります。ただ、微細であればあるほど、その製造の難易度も上がっていきます。例えばちょっとしたホコリでも集積回路の規模感から言えば非常に大きな物体です。細菌程度の大きさであっても、チップを覆い隠すほどの微細さを有しています。

そのためクリーンルームで製造が行われ、空気中の粒子や洗浄水なども特別なフィルターによりろ過され、作業者ももちろん専用の服を着ることになります。それほど微細な領域で行われているということを理解し、次の、具体的な製造の流れを見ていきましょう。

集積回路の製造の流れ

集積回路の製造工程を簡略化すると、回路やパターンの設計、半導体からウエハーを製造、フォトマスク等を用いながらICチップを作り、それをパッケージ化して製品として仕上げる流れになります。

設計

まずは回路設計です。どんな機能や性能を持つ回路を作るのか、消費電力や動作速度、そして寸法を決定します。その過程ではシミュレーターを使い検証も行います。

特にチップの寸法は重要で、この要素がデバイスの価格に響いてきます。なぜならウエハーあたりのチップ製造量に直接影響するからです。寸法を小さくすればするほど大量生産ができ、低価格で市場に出すことができるのです。

基本的な項目を決定し、回路の概要が定まれば、続いてパターンの設計を行います。回路設計専用のCADを使い、できるだけ効率的な配置ができるよう設計しなければなりません。

フォトマスクの作成

次に、設計されたパターンをウエハーに焼き付けるため、フォトマスクと呼ばれる光学機器を作成します。レクチルとも呼ばれる、写真におけるネガのようなものです。後で光を当ててパターンを焼き付けることになりますが、その際正確にパターンを写すために用います。そのためフォトマスクの作成には高度な精密さを求められます。

ウエハーの製造

パターンを載せる、集積回路の土台となるウエハーの準備も必要です。ここで半導体が登場します。基盤の一般的な素材であるシリコンであれば火山岩に多く含まれているため、ここから特別な製法を用いて高純度なシリコンを抽出します。半導体の種類や、具体的に作成したいものに応じた製法がいろいろあります。

シリコンが準備できればウエハーとするため、まずは薄くスライスしていきます。1㎝あたり数十枚といった規模感で切り出されます。そして、厚さを揃え、平行にするための研磨（ラッピング）を行います。さらに形状・寸法を整え、光沢等を調整する化学研磨（エッチング）も行い、半導体ウエハーが仕上がります

ICチップ化

続いてウエハーをICチップにしていくため、フォトマスクを用い、リソグラフィと呼ばれる工程に入ります。他にも微細加工の手法はありますが、リソグラフィが量産にも適しており一般的な手法であるといえます。

リソグラフィでは、フォトマスクで露光してパターンを転写します。そのためにはまずウエハー上に感光材であるレジストを塗布し、これを均一に伸ばします。感光させるため光源を設置しますが、パターンを転写しなければならないため、ウエハーと光源との間にかませる形でフォトマスクを配置します。さらにウエハー上に細かく並んだチップへ感光させるため、レンズも挟み、チップ1つずつに感光させICチップとして機能するよう加工していきます。