チョクラルスキー法による結晶成長(シリコンウェハー)

融液から、シリコンの巨大な単結晶をゆっくり引き上げる

チョクラルスキー法(Czochralski、「チョクラルスキー」と読みます)は、シリコンの巨大な単結晶をつくります。すべての原子が同じ完璧な格子に並んだ、ひと続きの固体です。小さな種結晶を溶けたシリコンに浸し、非常にゆっくり引き上げると、その上にシリコンが固まっていきます。この結晶を薄い円板、ウェハーにスライスしたものが、ほぼすべてのコンピューターチップや、多くの太陽電池の土台になります。

写真：ArticCynda, CC0, 提供： Wikimedia Commons

チョクラルスキー法の結晶引き上げ炉の断面 · 6つの手順丸数字は下の手順に対応しています。上の図は炉(引き上げ装置)の断面、下の図は完成した結晶を示しています。

しくみ

シリコンを溶かす。 超高純度のシリコンの塊を、石英るつぼ(耐熱性の鉢)の中で、約 1,420 °C で溶かします。計量したひとつまみのホウ素またはリン(ドーパントで、シリコンの電気の通し方を決める)も加え、アルゴンガスで融液から空気を遠ざけます。
種結晶を浸す。 原子の格子が選んだ方向を向くように切り出した小さな種結晶を、融液にちょうど触れるまで下ろします。シリコン原子がその上で固まり、格子を写し取ります。
細いネックを引く。 種結晶をまず速く引き上げ、幅わずか数ミリのネックをつくります。欠陥(転位、原子の格子の傷)は、結晶に広がらず、ネックを通って外へ抜けていきます。
ショルダーとボディを育てる。 引き上げ速度を落とすと、結晶は円錐状(ショルダー)に広がり、そのあと全径、通常は 200 または 300 mm で成長します。種結晶とるつぼは逆向きに回転して融液を均一に保ち、結晶はおよそ毎分 1 ミリの速さで上昇します。
テールを絞って冷ます。 最後に直径を円錐状に絞り、結晶が熱衝撃(格子を傷める急な温度変化)を受けずに融液から離れるようにします。完成した結晶はインゴットと呼ばれ、引き上げられてゆっくり冷まされます。
研削してスライスする。 インゴットを正確な円筒に研削し、結晶の方向を示すノッチを入れます。ダイヤモンドを付けたワイヤで厚さ 1 mm 未満のウェハーにスライスし、鏡面に研磨します。

主なポイント

材料: ほとんどがシリコン。ゲルマニウムや、レーザーと光学用の一部の酸化物結晶も
代表的な部品: 円柱状のインゴット(ブールとも呼ぶ)で、ウェハーにスライスする
部品サイズ: 直径は通常 200–300 mm、長さは最大約 2 m、重さは数百 kg
精度: 転位のない、ひと続きの原子格子。直径は研削前で約 1 ミリ以内に保つ。完成したウェハーは約 1 マイクロメートル(1 ミリの千分の1)の平坦度
表面仕上げ: 成長したままの状態:光沢のある金属的なグレーで、長さ方向にかすかな筋がある。完成したウェハーは鏡面研磨
向いているロット数: 量産:引き上げ装置1台が、1本のインゴットを一度に、昼夜を問わず育てる
金型・設備コスト: 引き上げ装置は 1 台あたり百万ドル前後。石英るつぼは消耗品で、インゴット1本から数本ごとに交換
速度: 結晶はおよそ毎分 1 mm の速さで、インゴット1本に1日以上かかる

強みと限界

強み

巨大でほぼ完璧な単結晶
正確なドーピングで電気的な性質が決まる
成熟し、高度に自動化されている。300 mm ウェハーまで
チップや多くの太陽電池の標準的な出発点

限界

石英るつぼの酸素がシリコンに溶け込む
遅い:インゴット1本に数日かかることもある
多くのエネルギーを使い、るつぼを消費する
ドーパントの濃度が、インゴットの一端から他端にかけて変化していく

使われる場所

エレクトロニクス300 mm ウェハーでつくられる、プロセッサやメモリチップ
太陽エネルギー単結晶太陽電池
パワーエレクトロニクス充電器、自動車、電車のパワートランジスタとダイオード
センサーと MEMS(シリコンにエッチングされた微小な機械)スマートフォンのカメラのイメージセンサー、モーションセンサー(加速度計)
光学とレーザー赤外線光学用のゲルマニウム、Nd:YAG などのレーザー結晶

見分け方

ほとんどの場合、見えません。 結晶は、すべてのチップの内部に隠れています。ウェハーから切り出した小さな正方形で、スマートフォンやノートパソコンの回路基板の上の黒いパッケージに封じられています。
太陽光パネル。 単結晶セルは、むらのない濃い色で、はがれたような模様がなく、角が少し切り落とされていることが多いです。丸いインゴットから四角に切り出したためです。
ウェハー単体。 鏡のようなグレーの円板で、縁には、結晶の方向を示す小さなノッチかフラットがたいていあります。
インゴット全体 は、工場の写真や博物館では、巨大なグレーの弾丸のように見えます。表面にはかすかな直線状の筋があり、結晶の内部の格子を表しています。