半導体は砂から始まっていた——純度99.999999999%の円盤「シリコンウェハー」ができるまで

シリコンウェハーとは何か

シリコンウェハーとは、原子がきれいに整列した1つの結晶——単結晶シリコンでできた薄い円盤のことです。この円盤の表面に、露光や成膜といった数百の工程で回路を描き込み、最後に数ミリ角に切り分けたものが半導体チップになります。つまりウェハーは、チップの「土台」であり「キャンバス」です。

現在の主流は直径300mm（12インチ）で、厚さは1mm弱。1枚のウェハーからは、スマホ向けチップなら数百個が取れます。表面は凹凸を原子レベルまでならした完全な鏡面で、覗き込めば顔がはっきり映ります。この鏡のような仕上がりは見た目のためではありません。この上に描く回路の線幅はナノメートル（100万分の1mm）単位なので、土台がわずかでも波打っていたら回路がゆがんでしまうためです。

なぜ「砂」が半導体になるのか

出発点は珪石です。珪石はシリコン（ケイ素）と酸素が結びついた鉱物で、砂や石として地殻にありふれた存在です。地殻に2番目に多い元素がケイ素であり、原料の入手しやすさは、シリコンが半導体の主役であり続ける理由のひとつです。

しかし、そのままでは使いものになりません。半導体は「不純物をほんの少し混ぜて電気の流れをコントロールする」部品なので、意図しない不純物が混ざっていると設計どおりに動かなくなります。そこで珪石を炉で還元して金属シリコンにしたあと、いったんガスに変えて蒸留する化学精製を重ね、金属不純物を10億分の1（ppb）以下まで追い込みます。こうしてできる多結晶シリコンの純度が99.999999999%——「9」が11個並ぶことから「イレブンナイン」と呼ばれる水準です。東京ドームを砂糖で満杯にして、その中に角砂糖1個分の異物も許さない、というレベルの純度管理になります。

どうやって1本の巨大な結晶に育てるのか

ここまでの多結晶シリコンは、小さな結晶の粒が寄り集まった状態です。粒と粒の境目は電気の流れを乱すので、チップの土台には使えません。原子の並びが端から端まで完全にそろった「単結晶」に作り直す必要があります。

その主流の製法がCZ法（チョクラルスキー法）です。まず、砂の結晶が鏡の円盤になるまでの全体の流れを、3Dモデルで見てください。

SUMCOの解説によると、手順はこうです。まず高純度の多結晶シリコンを石英のるつぼに入れ、約1,420℃で完全に溶かします。次に「種」と呼ばれる小指ほどの単結晶の棒を液面にそっと触れさせ、回転させながら、ゆっくりゆっくり引き上げていきます。すると溶けたシリコンが種の結晶の並びをお手本にしながら固まっていき、引き上げた分だけ結晶が下に伸びていきます。

数日かけて引き上げた結晶の塊は「インゴット」と呼ばれ、300mmウェハー用では長さ約2m・重さ300kgを超える巨大な銀色の柱になります。数百kgの塊の端から端まで原子の並びがそろっている——ウェハー製造の核心は、この途方もない均一さを毎回再現するところにあります。回転の速さ、引き上げの速さ、温度のわずかな揺らぎがすべて結晶の品質に響くため、レシピの作り込みがメーカーの腕の見せどころになります。

円盤になるまでに、何をしているのか

インゴットはまだただの柱です。ここから円盤に仕上げる後半戦が始まります。グローバルウェーハズ・ジャパンの工程解説やSUMCOの資料をもとに流れを追うと、大きく4段階あります。

どの段階も「削っては、その傷をより細かく消す」の繰り返しです。最後の鏡面研磨では、単に機械でこするのではなく、薬品の化学反応と粒子の機械的な力を組み合わせて、表面をなでるように仕上げていきます。ウェハーを300mmに広げてもこの平坦さを保てることが、そのまま技術力の証明になります。

こうして完成した鏡の円盤が、半導体工場に運ばれていきます。ここから先、ウェハーの上に回路を作り込んでいく数百の工程は「「1枚のシリコンが、チップになるまでの数百工程をたどる」」で全体像を紹介しています。そもそも半導体とは何か、から知りたい場合は「「半導体とは何か」」が入口です。

なぜ日本の2社が世界の6割を握っているのか

シリコンウェハーの世界シェアは、信越化学工業が約42%で単独首位、SUMCOが約18%。日本勢2社だけで世界の約6割、上位5社で約65%という寡占市場です（2024年・調査会社集計）。

理由は、この記事で見てきた工程そのものにあります。イレブンナインの純度も、300kgのインゴットの均一さも、原子レベルの平坦さも、教科書に書いてある原理は同じなのに、量産で安定して再現するには数十年分の細かいノウハウの積み重ねが必要です。さらに、半導体メーカーが自社の製造ラインでウェハーを採用するには、長期間の品質認定を通す必要があります。いったん認定を得たメーカーは簡単には置き換えられず、新規参入者は入口にすら立ちにくい。この構造は「「半導体材料で日本企業が世界を握り続ける理由」」で詳しく解説しています。信越化学とSUMCOそれぞれの企業分析は「「すべてのチップは、この会社の“土台（ウェハー）”から始まる」」と「「信越と二社でほぼ世界を分け合う、もう一つのウェハー大手」」をどうぞ。

次回は、完成したウェハーが半導体工場に入って最初に受ける処理——表面に絶縁の膜を作る「酸化」の工程を歩きます。