半導体製造の基礎の基礎 (3)

　読者の皆様は、半導体用シリコンの製造方法をご存知でしょうか？　『 #半導体製造の基礎の基礎 (1)』で説明する予定でしたが、忘れてしまいました。このように順不同での説明は、このブログの特徴です。そこで、 #ゲームブック 形式で、楽しみながら学べるようにしようと思いつきました。

　私は『ゲームブック』という言葉を知らなかったのですが、柴崎銀河さんが『ゲームブック』と書いていたので、Wikipediaで調べてみたら以下のような感じのようです。

Q1. シリコンインゴットの作り方を知っていますか？
(1) 勿論知っている。⇒ 半導体製造の基礎の基礎 (1)へ
(2) 知らないし、知りたくもない。⇒ Game Over
(3) 全く知らない。⇒ 以下をお読みください。

Q2. シリコンは珪石を還元して作られますが、還元とは何でしょうか？
(1) 勿論知っている。⇒ 3-3に進む。
(2) 知らないし、知りたくもない。⇒ Game Over
(3) 全く知らない。⇒ 以下をお読みください。

#還元 は鉄鉱石から鉄を取り出す過程に似ています。鉄鉱石とコークスを燃やすことで、酸化鉄から酸素を取り除き、鉄と二酸化炭素に分けることを指します。

　珪石は、SiO2としての二酸化珪素の結晶のことで、つまり水晶と同じです。シリコン製造ではO2は不要なので、SiとO2に分けるのが還元です。珪石とカーボングラファイトという炭素の棒に電気を流し、アーク放電を起こすことで、SiとCO2に分かれます。

　このプロセスを経て、水晶は金属のような性質を持つ #金属シリコン になります。しかし、金属シリコンには不純物が多く含まれているので、半導体としては機能しません。この金属シリコンを溶解し結晶化することで、シリコンが得られます。ソーラーパネルに適したシリコンは6～7Nの純度ですが、半導体用には11Nの高純度が必要です。

このことを前回説明しましたが、覚えていますか？
(1) 読んでいない。⇒ 2.1に進む
(2) 覚えていない。⇒ あんたバカじゃないの！（ツンデレ説明の章へ）
(3) その説明なしで知っている。⇒ 4.1に進む
(4) 覚えている。⇒ 以下をお読みください。

半導体グレード・シリコン・インゴットの製造方法

　何時もアニメの話しばかりしているので、 #ドラゴンボール の #スーパーサイヤ人ゴッド の話しをしていると思っている読者もいるかも知れませんが、ちょっと違います。 #グレートサイヤマン とも違います。

1. 珪石の採取：天然の珪石を採取します。珪石は地球上に豊富に存在する鉱石で、シリコンの主要な原料です。

2. 金属シリコンの製造：珪石を #アーク炉 で還元し、金属シリコンを製造します。この際、珪石から酸素を除去して、純度98～99%の金属シリコンを得ます。

3. 多結晶シリコンの製造：金属シリコンを化学反応させ、純度99.999999999%（11N）の多結晶シリコンを生成します。この工程では #シーメンス法 などが使用されます。

4. 単結晶シリコンインゴットの製造：多結晶シリコンから、 #CZ法 （ #チョクラルスキー法 ）を用いて単結晶シリコンインゴットを製造します。 #多結晶シリコン を石英坩堝に入れ、溶かしながら回転し、 #単結晶シリコン を成形します。

5. シリコンウェハーの製造：単結晶シリコンを高速ワイヤーで約1mmの厚さに切断し、研磨してシリコンウェハーを製造します。このウェハーは半導体デバイスの基板として使用されます。

　以上が、珪石から #半導体グレードシリコンインゴット の製造までの基本プロセスです。

Q. シリコンインゴットからCPUができるまでのプロセスを理解していますか？
(1) 知っているが、EUV露光装置の詳細は不明。⇒ 100ポイント獲得 💰
(2) 知りたくもない。⇒ Game Over
(3) まったく知らない。⇒ 2.1に進む

EUV露光装置とは

#EUV露光装置 は、半導体製造の『露光』という工程で使われる装置です。EUVはExtreme UltraVioletの略で、極端紫外線を指します。この装置は13.5ナノメートルの短い波長の光を使用します。

　露光は、シリコンウェハーに電子回路のパターンを描く工程を指します。EUV露光装置はより精密なパターンを描くことができ、それにより半導体の性能が向上します。

　この装置は、2018年から使用が開始され、7nmノード以下の露光に活用されています。この装置の輸出制限が #米中貿易戦争 の焦点の一つとなりました。中国は20年以上前からEUV露光装置の研究開発を進めており、独自の技術を持っています。ほとんどの報道が、EUV露光装置はオランダだけで生産できると主張していますが、これらのマスゴミの主張は誤りです。

　EUV露光装置は大量の電力を消費するため、現時点で台湾の発電量の約10％がこの装置の電源として使用されています。日本のような高い電気料金の国で、この装置を使うと生産コストが跳ね上がってしまうので、日本で生産するのであれば、非常に付加価値（利益率）の高い高額半導体製品を開発する必要があります。

半導体・デジタル産業戦略
令和５年 ６月
経済産業省 商務情報政策局

つづく…