ウエハのスライス工程　スライス工程、ワイヤーソーイング技術とは何か？

この記事で分かること

ウエハのスライス工程

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。　

今回はウエハのスライス工程についての解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と механическая研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

インゴットのスライス工程とは

　インゴットのスライス工程は、半導体デバイスの製造における前工程の中でも、非常に重要な初期段階の一つで、円柱状のインゴット（シリコンなどの単結晶）を、薄い板状のウェハに切り出す工程を指します。

目的

• ウェハの作製: 半導体デバイスを製造するための基板となるウェハを、必要な厚さで大量に効率よく作り出すことが主な目的です。
• 均一な厚さの確保: 後続の微細な加工を均一に行うために、切り出されたウェハの厚さを精密に保つ必要があります。
• 歩留まりの向上: 欠陥の少ないウェハを多く得ることで、最終的な半導体デバイスの歩留まり向上に貢献します。

工程の概要

1. インゴットの準備: 育成された円柱状のインゴットは、スライス工程の前に研磨などの処理が施されることがあります。
2. スライス装置へのセット: インゴットをスライス装置に正確に固定します。
3. スライス: 高速回転する薄い円盤状のブレード（ダイヤモンドワイヤーソーなどが用いられます）を用いて、インゴットを一定の厚さにスライスしていきます。この時、ウェハの厚さ、スライス速度、冷却方法などが精密に制御されます。
4. ウェハの取り出しと洗浄: スライスされたウェハは、スライス装置から慎重に取り出され、表面に付着した切削屑などを洗浄します。
5. 面取り: ウェハの端面を丸く削ることで、後の工程での割れや欠けを防ぎます。

重要なポイント

• ブレード: ダイヤモンド砥粒を埋め込んだワイヤーや円盤状のブレードが用いられ、高い精度と効率でインゴットを切断します。近年では、より微細で高品質なウェハを得るために、ワイヤーソーイング技術が主流となっています。
• 冷却: スライス時の摩擦熱を抑え、ウェハやインゴットの損傷を防ぐために、冷却水が供給されます。
• 精度: スライスされるウェハの厚さの均一性や、ウェハの反り（warp）やうねり（bow）を最小限に抑える高い精度が求められます。
• 歩留まり: インゴットからできるだけ多くの良質なウェハを効率的に切り出すことが重要です。

ワイヤーソーイング技術とは何か

　ワイヤーソーイング技術とは、極細のワイヤー（通常はピアノ線のような金属製の線材）に砥粒（ダイヤモンドなど硬い研磨材）を付着させ、そのワイヤーを高速で走行させることによって、硬い材料を切断・スライスする技術です。

　半導体の前工程におけるインゴットのスライス工程では、主にこのワイヤーソーイング技術が用いられます。

原理

　従来の刃物のように一点に力を加えて切断するのではなく、高速で移動するワイヤーに付着した微細な砥粒が、インゴットの表面を непрерывно (連続的に) 研磨していくことで、徐々に切り込んでいくという原理で切断が行われます。

特徴

　半導体インゴットのスライス工程において、ワイヤーソーイング技術は以下のような多くの利点を持つため、主流な技術となっています。

• 高精度なスライス: 極薄のワイヤーを使用するため、ウェハの厚さを均一に、かつ高精度に制御できます。これにより、後工程での歩留まり向上に貢献します。
• 薄いウェハの作製: 非常に薄いウェハを効率的に切り出すことが可能です。近年の半導体デバイスの薄型化のニーズに対応できます。
• 高い歩留まり: 従来のブレードによるスライスに比べて、インゴットのロスが少なく、より多くのウェハを切り出すことができます。
• 滑らかな切断面: 切断面が比較的滑らかであるため、後工程での研磨などの負荷を軽減できます。
• 多様な材料に対応: シリコンだけでなく、SiC（炭化ケイ素）やサファイアなど、様々な硬い結晶材料の切断に適しています。
• 低振動・低騒音: 機械的な衝撃が少ないため、振動や騒音を抑えることができます。

半導体ウェハ製造におけるワイヤーソーイング

　半導体インゴットのスライス工程では、通常、マルチワイヤーソーイングという方式が用いられます。

　これは、1本のインゴットに対して、多数のワイヤーを同時に走行させることで、一度に多数のウェハを効率的に切り出すことができる技術で、以下のような手順で行われます。

1. ワイヤーの準備: ダイヤモンド砥粒が固定された細いワイヤーを、多数平行に張り巡らせます。
2. インゴットのセット: インゴットをワイヤー群に対して一定の速度で送り込みます。
3. スライス: 高速で走行するワイヤーとインゴットが接触し、砥粒によってインゴットが徐々にスライスされていきます。この際、冷却と切削屑の排出のために、クーラント液が供給されます。
4. ウェハの回収: スライスされたウェハは、ワイヤー群から分離され、回収されます。

　ワイヤーソーイング技術は、半導体ウェハの高品質化、薄型化、高効率化に不可欠な技術であり、今後の半導体デバイスの進化を支える重要な役割を担っています。

スライス工程装置のメーカー

　スライス工程の装置としては、以下のようなワイヤーソーイング装置のメーカーが挙げられます。

株式会社ディスコ (DISCO Corporation)

　日本を代表する精密加工装置メーカーであり、ウェーハのスライス、研削、研磨、ダイシングなど、幅広い工程の装置を提供しています。

東京精密 (Tokyo Seimitsu Co., Ltd.)

　日本の精密計測・半導体製造装置メーカーであり、ウェーハ検査装置などで高いシェアを持ちますが、スライス装置も手掛けています。

株式会社タカトリ (TAKATORI Corporation)

　奈良県に本社を置くメーカーで、特にSiC（炭化ケイ素）向けワイヤーソーで世界トップシェアを誇ると報じられています。パワー半導体材料の加工において強みを持っています。