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1.なぜチップにシリコンを使うのか?将来的にそれに代わる材料はあるのでしょうか？
チップの原料となるのはシリコンで構成されるウェハーです。「砂を使えばチップが作れる」という誤解がありますが、そうではありません。砂の主な化学成分は二酸化ケイ素であり、ガラスやウエハースの主な化学成分も二酸化ケイ素です。ただし、違いは、ガラスは多結晶シリコンであり、砂を高温で加熱すると多結晶シリコンが得られることです。一方、ウェーハは単結晶シリコンであり、砂から作る場合はさらに多結晶シリコンから単結晶シリコンに変える必要があります。

シリコンとは一体何なのか、なぜチップの製造に使用できるのか、この記事で一つ一つ明らかにしていきます。

最初に理解する必要があるのは、シリコン材料はチップステップに直接ジャンプするものではなく、シリコンはケイ砂からシリコン元素から精製され、シリコン元素のプロトン数はアルミニウム元素よりも1つ多く、リン元素よりも1つ少ないということです。 、それは現代の電子コンピューティングデバイスの物質的な基盤であるだけでなく、地球外生命体を探している人々にとっても、基本的な可能な要素の1つです。通常、シリコンを精製・精製（99.999％）するとシリコンウェーハとなり、それをスライスしてウェーハとします。ウェハが薄ければ薄いほど、チップの製造コストは下がりますが、チッププロセスの要件は高くなります。

シリコンをウェーハに変えるための 3 つの重要なステップ

具体的には、シリコンのウェーハへの変換は、シリコンの精製と精製、単結晶シリコンの成長、ウェーハの形成の 3 つのステップに分けることができます。

自然界では、ケイ素は通常、砂や砂利中にケイ酸塩または二酸化ケイ素の形で存在します。原料は炭素源の存在下で 2000℃の電気炉に入れられ、高温を利用して二酸化ケイ素と炭素が反応し (SiO2 + 2C = Si + 2CO)、冶金グレードのシリコン (SiO2 + 2C = Si + 2CO) が得られます。純度約98％）。ただし、この純度は電子部品の製造には十分ではないため、さらに精製する必要があります。粉砕された冶金グレードのシリコンは塩化水素ガスで塩素化されて液体シランが生成され、その後蒸留され、電子グレードのシリコンとして純度 99.9999999999% の高純度ポリシリコンが得られるプロセスによって化学的に還元されます。

では、どのようにして多結晶シリコンから単結晶シリコンを得ることができるのでしょうか?最も一般的な方法は直接引き上げ法で、石英坩堝にポリシリコンを入れ、周囲を1400℃に保持して加熱し、ポリシリコン融液を生成します。もちろん、その前に種結晶をその中に浸し、引き上げロッドで種結晶を反対方向に運びながら、ゆっくりと垂直にシリコン融液から引き上げます。多結晶シリコン融液は種結晶の底部に付着して種結晶格子方向に上向きに成長し、引き抜かれて冷却されると内部の種結晶と同じ格子方位をもつ単結晶棒に成長します。最後に、単結晶ウェーハはタンブル、切断、研削、面取り、研磨されて、最も重要なウェーハが製造されます。

カットサイズに応じて、シリコンウェーハは 6 インチ、8 インチ、12 インチ、18 インチに分類できます。ウェーハのサイズが大きくなると、各ウェーハからより多くのチップを切り出すことができ、チップあたりのコストが下がります。
2.シリコンをウェーハに変えるための 3 つの重要なステップ

具体的には、シリコンのウェーハへの変換は、シリコンの精製と精製、単結晶シリコンの成長、ウェーハの形成の 3 つのステップに分けることができます。

自然界では、ケイ素は通常、砂や砂利中にケイ酸塩または二酸化ケイ素の形で存在します。原料は炭素源の存在下で 2000℃の電気炉に入れられ、高温を利用して二酸化ケイ素と炭素が反応し (SiO2 + 2C = Si + 2CO)、冶金グレードのシリコン (SiO2 + 2C = Si + 2CO) が得られます。純度約98％）。ただし、この純度は電子部品の製造には十分ではないため、さらに精製する必要があります。粉砕された冶金グレードのシリコンは塩化水素ガスで塩素化されて液体シランが生成され、その後蒸留され、電子グレードのシリコンとして純度 99.9999999999% の高純度ポリシリコンが得られるプロセスによって化学的に還元されます。

では、どのようにして多結晶シリコンから単結晶シリコンを得ることができるのでしょうか?最も一般的な方法は直接引き上げ法で、石英坩堝にポリシリコンを入れ、周囲を1400℃に保持して加熱し、ポリシリコン融液を生成します。もちろん、その前に種結晶をその中に浸し、引き上げロッドで種結晶を反対方向に運びながら、ゆっくりと垂直にシリコン融液から引き上げます。多結晶シリコン融液は種結晶の底部に付着して種結晶格子方向に上向きに成長し、引き抜かれて冷却されると内部の種結晶と同じ格子方位をもつ単結晶棒に成長します。最後に、単結晶ウェーハはタンブル、切断、研削、面取り、研磨されて、最も重要なウェーハが製造されます。

カットサイズに応じて、シリコンウェーハは 6 インチ、8 インチ、12 インチ、18 インチに分類できます。ウェーハのサイズが大きくなると、各ウェーハからより多くのチップを切り出すことができ、チップあたりのコストが下がります。

なぜシリコンがチップの製造に最適な材料なのでしょうか?

理論的にはあらゆる半導体がチップ材料として使用可能ですが、シリコンがチップ材料として最適である主な理由は次のとおりです。

1、地球の元素含有量のランキングによると、酸素 > ケイ素 > アルミニウム > 鉄 > カルシウム > ナトリウム > カリウム ……の順でケイ素が 2 位にランクされていることがわかり、その含有量は膨大であり、チップにはほぼ無尽蔵の原材料が供給されています。

2、シリコン元素の化学的性質と材料特性は非常に安定しており、最初のトランジスタは半導体材料ゲルマニウムを使用して作られましたが、温度が75℃を超えるため、導電率が大きく変化し、反転後にPN接合が作られます。ゲルマニウムはシリコンよりもリーク電流が大きいため、チップ材料としてシリコン元素を選択するのがより適切です。

3、シリコン元素の精製技術は成熟しており、低コストであり、現在ではシリコンの精製は99.9999999999％に達することができます。

4、シリコン材料自体は無毒で無害であり、これがチップの製造材料として選ばれる重要な理由の1つです。