半導体
半導体ができるまで
ウェハーから完成チップまで、製造工程を順番に
全15本
半導体の数百工程は2つに分かれる——回路を「描く」前工程と、チップに「仕立てる」後工程の境界線
半導体づくりは、大きく「前工程」と「後工程」に分かれる。前工程はシリコンに回路を作り込む工程、後工程はそれを切り出して製品に組み立てる工程だ。両者は使う装置も担う企業も別物。初心者がつまずきやすい前工程と後工程の違いを、1枚の早見表で整理する。
記事を読む 半導体ができるまで①・ウェハー製造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
スマホにもAIにも入っている半導体チップは、すべて「シリコンウェハー」という銀色の円盤の上に作られる。その出発点は、ありふれた石ころ（珪石）だ。石を99.999999999%——「9」が11個並ぶ純度まで磨き上げ、1,400℃超で溶かし、長さ約2m・重さ300kg超の1本の結晶に育てて、髪の毛より細かい精度で切り出す。半導体製造の工程を最初から歩くシリーズ、第1回はすべての土台になるウェハー製造の話。
記事を読む 半導体ができるまで②・熱酸化絶縁膜は塗らない。1,000℃の炉でシリコンを“焦がして”育てる——シリコンが王者になれた理由「熱酸化」
半導体工場に入ったウェハーが最初に受ける処理は、約800〜1,200℃の炉で表面を“焦がす”ことだ。シリコンの表面は酸素と反応すると、ガラスと同じ成分の膜——二酸化ケイ素に変わる。鉄の錆はボロボロと剥がれるのに、この「シリコンの錆」は緻密で電気をまったく通さない、天然の絶縁膜になる。良質な酸化膜が自然にできること。それこそ、シリコンが半導体の王者になれた最大の理由だ。シリーズ第2回は、この熱酸化の話。
記事を読む 半導体ができるまで③・成膜半導体は“塗り重ね”でできていた——原子数個分の薄い膜を何百層も積む「成膜」の技術
チップの中の回路は、彫って作るのではない。導体・絶縁体・半導体の薄い膜を「つけては削る」を繰り返し、何百層も塗り重ねて作る。その「膜をつける」工程が成膜だ。気体から膜を作るCVD、材料を叩き飛ばして付けるPVD、1原子層ずつ積むALD——膜厚を原子数個分の精度で操る3つの方式を、壁紙・吹き付け塗装・シール貼りの比喩で歩く。半導体製造の工程を最初から歩くシリーズ、第3回。
記事を読む 半導体ができるまで④・リソグラフィ半導体の回路は“写真の現像”で作られていた——光で焼き付けるリソグラフィを、1枚のチップに何十回も繰り返す
ナノメートル単位の回路は、彫刻刀で彫るわけでも、ペンで描くわけでもない。感光する薬をウェハーに塗り、回路の設計図越しに光を当てて焼き付け、現像液で模様を浮かび上がらせる——やっていることは、フィルム写真の現像とまったく同じだ。この「塗る→焼き付ける→現像する」のサイクルを、1枚のチップに何十回も重ねて回路は立体的に積み上がっていく。半導体製造の工程を最初から歩くシリーズ、第4回は前工程の主役・リソグラフィの話。
記事を読む 半導体ができるまで⑤・エッチング回路は光で“描いた”あと、プラズマで“彫って”いた——幅の60倍も深い穴を垂直に開けるエッチング
リソグラフィで描いた回路の設計図は、まだレジストという膜の上の「下絵」にすぎない。その下絵を型にして、守られていない部分だけを削り、回路の形をウェハーに実際に彫り込むのがエッチングだ。薬液で溶かすウェットと、プラズマのイオンで垂直に彫るドライ。3D NANDでは深さが幅の60倍を超える穴を何十億個も開ける。半導体製造の工程を最初から歩くシリーズ、第5回は「彫る」工程の話。
記事を読む 半導体ができるまで⑥・除去と洗浄半導体づくりの3割は“洗いもの”だった——髪の毛の1万分の1のゴミ1個が回路を殺すから、ウェハーは数百回洗われる
回路を刻み終えたウェハーには、役目を終えた感光材の型（レジスト）と、目に見えないゴミが残っている。これを酸素プラズマで文字どおり「灰」にして飛ばし、薬液と超純水で徹底的に洗い流す——それが除去と洗浄の工程だ。地味に聞こえるが、洗浄は全工程の約3割を占める最多クラスの工程で、髪の毛の1万分の1ほどのゴミ1個が回路を丸ごと殺す世界を支えている。シリーズ第6回。
記事を読む 半導体ができるまで⑦・イオン注入と熱処理純粋なシリコンは電気をほぼ通さない——不純物を撃ち込み、1,000℃・ミリ秒の熱で目覚めさせる「イオン注入と熱処理」
半導体は「混ぜ物」で動く。純粋に磨き上げたシリコンに、あえて不純物の原子を撃ち込んで、電気を操れる場所（p型/n型）を作る——それがイオン注入だ。ただし撃ち込んだ直後の結晶は傷だらけで、不純物もまだ眠ったまま。約1,000℃、ときにミリ秒（1000分の1秒）級の熱で一瞬だけ焼いて傷を治し、不純物を目覚めさせるのがアニール（熱処理）。原子の射撃と、傷を治す焼き入れ。2つでワンセットの工程を歩く。
記事を読む 半導体ができるまで⑧・多層配線チップの中の配線は総延長約50kmあった——“彫れない銅”を溝に流し込むダマシン法という逆転の発想
何十億個のトランジスタは、それだけではただのスイッチの山だ。それを設計図どおりに結ぶのが、ビルの配管のように10層以上積み上がった銅の配線で、総延長は指先サイズのチップで約50kmに達する。しかも銅には「削って形を作れない」という弱点があり、先に溝を彫って銅を流し込み、はみ出た分を磨いて落とす——象嵌（ぞうがん）細工に由来する「ダマシン法」が使われている。シリーズ第8回は、チップの中に“配線のビル”を建てる多層配線の話。
記事を読む 後工程・ウェハー薄化AIメモリを12段積むため、シリコンは髪の毛より薄く削られていた
回路を作り終えたウェハーは、そのままでは厚すぎて使えない。裏面を砥石で削って薄くする「バックグラインド」を経て、初めて製品になる。なぜ約775μmのシリコンを数十μmまで削るのか、HBMの積層やディスコのTAIKOプロセスとあわせて解説する。
記事を読む 半導体ができるまで⑨・ダイシング半導体チップは“最初から小さい”わけではなかった——人毛より薄いダイヤの刃が、毎分3万回転でウェハーを切り分ける
数百の工程をかけて回路を書き終えたウェハーは、まだ1枚の大きな円盤のままだ。これを1個1個のチップに切り分ける工程が「ダイシング」。使うのは人造ダイヤモンドを固めた、薄いものは厚さ0.01mm——人毛より薄い円盤状の刃だ。毎分3万〜5万回転で回しながら、数十μmしかない切りしろ（ストリート）を狙って走らせる。さらに近年は、刃を使わずウェハーの内部だけにレーザーを集光して「割る」ステルスダイシングも登場した。「半導体ができるまで」シリーズ第9回は、後工程の入口・ダイシングの話。
記事を読む 半導体ができるまで⑩・ボンディングチップは金の糸で縫われていた——1秒に20本、髪の毛の4分の1の線を張る「ボンディング」工程
ウェハーから切り出したばかりのチップは、電極が小さすぎて外の世界とつながれない“孤島”だ。そこでチップを金属の土台に接着し（ダイボンディング）、髪の毛の4分の1ほどの金や銅の線を1秒に20本以上の速さで縫うように張って、チップと外の端子を橋渡しする。高性能チップでは、線を張る代わりにチップごと裏返してハンダの粒で数千点を一括接続する「フリップチップ」も主流だ。シリーズ第10回は、チップが初めて外と会話できるようになる接続の話。
記事を読む 半導体ができるまで⑪・封止基板の黒い「ゲジゲジ」は、チップ本体ではなかった——重さの7割が石の粉でできた樹脂の鎧「封止」
電子基板に並ぶ、足の生えた黒い部品。あの黒い塊はチップそのものではなく、チップを守るために着せた樹脂の鎧だ。配線まで終えた無防備なチップと髪の毛より細い金線を、熱で溶かした黒いエポキシ樹脂で丸ごと固める——それが封止（モールド）工程。樹脂の重さの7割以上は、実は石の粉（シリカ）でできている。モールディング装置で世界シェア66%のTOWA、封止材で世界首位級の住友ベークライト・レゾナックと、日本勢の独壇場でもあるこの工程を歩く。
記事を読む 半導体ができるまで⑫・検査とマーキングチップは作って終わりではなかった——1時間2万個を1個ずつ試験し、合格品だけに名前を刻む「最終テスト」
数百の工程を生き延びて完成したチップも、そのままでは出荷できない。最後に1個ずつテスタ（自動試験装置）につなぎ、膨大な信号パターンを数秒で流して「本当に設計どおり動くか」を試す。氷点下と高温で二度試し、不良品を振り分け、合格品だけにレーザーで型番とロット番号を刻印して、ようやく「製品」になる。砂から始まった「半導体ができるまで」シリーズ、最終回は出荷前の最後の関門の話。
記事を読む 半導体製造の環境・クリーンルーム半導体工場の空気は、手術室の1,000倍きれいだった
手術室の1,000倍以上きれいな空気——これが半導体工場の環境基準です。なぜそこまでの清浄度が必要で、どうやって実現し、人体はどう管理されるのか。ISO 14644クラス分類・ULPAフィルタ・ラミナーフロー・陽圧管理の仕組みと、歩留まりへの影響を解説します。
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