半導体の前工程：インゴットの引き上げ インゴットとは何か？引き上げ工程の装置で重要なものは？

この記事で分かること

半導体の前工程：インゴットの引き上げ

　半導体が重要性が増す中で、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。

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。

• インゴットの引き上げ: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を回転させながら徐々に引き上げ、円柱状のシリコン単結晶（インゴット）を作製します。

• 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。

インゴットとは何か

　インゴット（ingot）とは、一般的に金属を再溶解して鋳型に流し込み、扱いやすいように固めた塊のことです。日本語では「鋳塊（ちゅうかい）」とも呼ばれます。

半導体製造の前工程における「インゴット」は、特に高純度のシリコン単結晶を指します。これは、半導体ウェーハとなる材料であり、以下のような特徴があります。

• 円柱状の形状: 種結晶を回転させながらシリコン融液からゆっくりと引き上げることで、円柱状の単結晶インゴットが形成されます。
• 高純度: 半導体デバイスの性能に影響を与える不純物を極限まで取り除く必要があります。そのため、非常に高純度のシリコンが用いられます（イレブンナインと呼ばれる99.999999999%以上の純度）。
• 単結晶: シリコン原子が規則正しく配列した単一の結晶構造を持っています。これにより、均一な電気的特性が得られ、高性能な半導体デバイスの製造が可能になります。

このシリコンインゴットは次の工程で薄くスライスされ、円盤状のウェーハとなります。

回転させながら引き上げるとなぜ円柱になるのか

　シリコンインゴットを溶解したシリコン融液から回転させながら引き上げると円柱状になるのは、いくつかの要因が複合的に作用するためです。主な理由は以下の通りです。

表面張力

　液体は表面積を最小にしようとする性質（表面張力）を持っています。引き上げられるシリコン融液の塊は、この表面張力によって、ある程度丸みを帯びた形状になろうとします。

温度制御と凝固界面の安定化

イ　ンゴットを引き上げる際、融液と固体の界面（凝固界面）の温度分布が非常に重要です。均一な単結晶を成長させるためには、この凝固界面を安定させ、できるだけ平坦に保つ必要があります。

　回転させることで、融液内の温度分布が均一化されやすくなり、凝固界面が安定し、結果として均一な断面を持つ円柱状に成長しやすくなります。

軸対称性

　回転させるという操作自体が軸対称性を持っています。種結晶を回転させながら引き上げることで、成長する結晶もその回転軸に対して対称な形状になりやすくなります。

　もし回転させずに引き上げると、わずかな温度ムラや融液の流れの偏りによって、断面が歪んだり、均一な結晶構造が得られにくくなったりする可能性があります。

熱伝導の均一化

　インゴットの成長過程では、熱の移動が結晶の品質に大きな影響を与えます。回転させることで、インゴット全体が均一に冷却されやすくなり、結晶内の温度勾配が緩和され、熱応力による歪みや欠陥の発生を抑制する効果も期待できます。

インゴット引き上げにはどのような装置が使用されるのか

　シリコン単結晶インゴットを引き上げるための専用の装置は一般的に単結晶引き上げ装置や、シリコンインゴットの製造で最も一般的な方法であるCZ（チョクラルスキー）法に基づいてCZ炉（CZファーネス）などと呼ばれます。

主な構成要素と機能は以下の通りです。

• るつぼ (Crucible): 高純度の石英ガラスなどで作られた容器で、原料となる多結晶シリコンを溶解します。ドーパント（不純物）もこの段階で加えられます。
• 加熱機構 (Heating System): るつぼを高温（シリコンの融点である約1420℃以上）に加熱し、シリコンを溶解させます。抵抗加熱方式や高周波誘導加熱方式などが用いられます。
• 種結晶保持機構 (Seed Crystal Holder): 引き上げる単結晶の種となる小さな結晶（種結晶）を保持し、融液に浸漬させます。
• 引き上げ機構 (Pulling Mechanism): 種結晶をゆっくりと上方向に引き上げるための機構です。精密な速度制御が求められます。
• 回転機構 (Rotation Mechanism): 種結晶とるつぼをそれぞれ独立して、または同期して回転させる機構です。これにより、温度分布の均一化や不純物の偏析の抑制、円柱状の形状の維持に貢献します。
• 温度制御システム (Temperature Control System): 融液やインゴットの温度を精密に制御し、高品質な単結晶成長を維持します。
• 雰囲気制御 (Atmosphere Control): 炉内の雰囲気を不活性ガスなどで制御し、不純物の混入を防ぎます。
• 自動直径制御 (ADC: Automatic Diameter Control) システム: 成長するインゴットの直径をリアルタイムで計測し、引き上げ速度や温度などを自動的に調整するシステムです。均一な直径のインゴットを得るために重要な機能です。
• 真空排気装置 (Vacuum System): 炉内を真空状態にすることで、不純物の混入を抑制する場合があります。

どんなメーカの装置が有名か

　半導体製造装置、特にシリコンインゴット（単結晶）の引き上げ装置（CZ炉など）で有名なメーカーは以下のようにいくつかあります。

海外メーカー

• PVA TePla (ドイツ): CZ法だけでなく、様々な結晶成長技術の装置を提供しており、シリコンインゴット引き上げ装置においても高いシェアを持っています。
• Ferrotec (日本に本社、グローバル展開): 真空シール技術などを強みとし、シリコン単結晶引き上げ装置も製造しています。
• Linton Crystal Technologies (アメリカ): カスタマイズ性に優れ、様々なサイズのシリコンインゴットに対応したCZ炉を提供しています。
• Kayex (アメリカ、現在はGT Advanced Technologiesの一部): かつてはCZ炉の主要メーカーの一つでした。GT Advanced Technologiesも結晶成長装置を手掛けています。
• Inductotherm (アメリカ): シリコン溶解炉など、インゴット製造の上流工程に関わる装置で有名です。
• ECM Lab Solutions (フランス): CZ炉を含む様々な結晶成長装置を提供しています。

日本メーカー

• 株式会社テクノサーチ: 多様な結晶成長装置を手掛けており、CZ炉も提供しています。
• RSPL-Raana Semiconductors Pvt Ltd (インドに本社、日本にも拠点): CZ法による単結晶成長装置を提供しています。