自動化が米国メーカーの半導体製造の規模拡大に貢献している理由

半導体は、現代のあらゆるエレクトロニクス、電力分配、再生可能エネルギー発電の中核を担っています。半導体製品は、トランジスタやダイオードのようなシンプルなディスクリート部品から、複雑な集積回路（IC）まで、さまざまです。半導体デバイスは、組み合わせてデジタル回路を作るロジックゲートの中核になることが多いです。発振器、センサ、アナログアンプ、太陽電池、LED、レーザー、電力変換器などにも使われています。業界の製品カテゴリには、メモリ、ロジック、アナログIC、マイクロプロセッサ、ディスクリートパワーデバイス、センサが含まれます。

図1：集積回路をはじめとする半導体製品の生産には、特殊な装置が必要です。（画像提供：Getty Images）

半導体が重要であるにもかかわらず、世界の多くは多様性のない、したがって脆弱なグローバルサプライチェーンに依存しています。これは、高度に統合された生産が経済的に競争力を持つようになるという非常に大きな規模の経済性によるものです。何しろ、半導体製造設備は何十億円もかけて作られ、非常に高度な技術を持ったスタッフが必要になります。

図2：リニアモータ、ベルトドライブ、ミニチュアプロファイルレールリニアガイドなど、半導体を加工する機械には精密機器が使われています。（画像提供：Getty Images）

ほとんどの工場（ファウンドリ）は、台湾、日本、中国、米国、ドイツにあり、数十年前から稼働しています。しかし、半導体の半分以上、先端半導体の90％以上が台湾で製造されており、すべての大手エレクトロニクスメーカーは、半導体製造の少なくとも一部を台湾の半導体製造工場1社で行っています。最近の地政学的な緊張は、このような依存の危険性を浮き彫りにしています。2022年Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Actは、米国の半導体生産を確立、拡大するためにオペレーターやオートメーションサプライヤにインセンティブを与えることによって、この問題を解決することを目的としています。

半導体製造の現状

ほとんどの材料は、金属のように電気をよく通すものと、ガラスのように絶縁体であるものがあります。半導体は、導体と絶縁体の中間の電気伝導性を持ち、ドーピングと呼ばれる工程によって結晶構造中に不純物を注入して伝導性を調整します。電子供与性元素をドーピングすると、負の電荷を持つようになり、その結果、n型半導体になります。逆に、電子受容体元素をドーピングすると、正の電荷を持つ正孔が生成され、その結果、p型半導体になります。単結晶の中で、隣接していてもドーピングが異なる2つの領域は、半導体のp-n接合を形成します。トランジスタは、NPN接合またはPNP接合が配置されている場合があります。

半導体の材料として圧倒的に多いのがシリコンです。n型ドーパントはリンやヒ素、一方、p型ドーパントはボロンやガリウムが一般的です。

図3：このJabil Precision Automation Solutionsの機械に搭載された6軸ロボットは、クリーンルームの環境を損なうことなく、レチクルの自動選別に関連する作業を行うことができます。（画像提供：Omron Automation Americas）

最先端の半導体製造では、1～100nmのナノレベルの微細な形状を持つ製品が作られます。ナノメータは10億分の1メートル、固体中の個々の原子間の距離は0.1～0.4nmであることから、現代の半導体ナノ構造は、物質構造を小さくできる限界に近づいていると言えます。また、このような製品の製造に伴う極めて高い精度には、地震活動、現地の航空機、電車、交通機関、および近隣の機械などの振動から保護されたクリーンルーム環境での製造が要求されます。

IC製造の最も重要なプロセスは、ウェハー製造、リソグラフィ、そしてイオン注入による選択的ドーピングです。多くの工場は、ウェハー製造またはその後のフォトリソグラフィやドーピングを含むチップ製造のいずれかに特化しています。Taiwan Semiconductor（TSMC）は、ウェハーとチップの両方を生産しており、高度な5nmと3nmのチップを生産する唯一の工場です。IntelやTexas Instrumentsなど一部の半導体メーカーは、自社で工場を持ち、最先端チップの供給のみTSMCを利用しています。しかし、多くのファブレスメーカー（Apple、ARM、Nvidiaなど）は、半導体製造をすべてTSMCに依存しています。

図4：GlobalFoundriesは最近、ニューヨーク州の既存施設で年間15万枚のウエハーを追加生産できるようにするため、10億ドルの投資を開始しました。この新しい生産量は、車載、5G、IoTアプリケーション向けの機能豊富なチップへの需要を満たすことを目的としています。また、この施設は、安全なサプライチェーンという国家安全保障上の要件もサポートします。（画像提供：GlobalFoundries）

AMDは技術的にはファブレスですが、TSMCに依存しているわけではなく、以前は自社でチップを製造していました。AMDは製造事業を分社化してGlobalFoundriesと名付け、米国、欧州、シンガポールで製造を行っています。ニューヨークの工場では、これまで14nmまでのチップを生産してきましたが、今後は4nm、そして3nmのチップを生産する予定です。

具体的なチップ製造工程の考察

半導体製造の多くは、1回の工程で何百万もの個々の特性（ナノスケールの特性も）を作り出すことができるスケーラブルな高歩留まりプロセスを採用しています。具体的な内容をいくつか考察します。

シリコンウェハーの製造：多結晶シリコンナゲットをアルゴン雰囲気中で溶解し、種結晶を使用して引き上げ、単結晶シリコンインゴット（プロセスの開始と停止によって形成されるヘッドコーンとテールコーンを有する円柱）を成長させます。この段階で、シリコンに均一なドーピングを加えることもあります。

図5：複数の結晶シリコンインゴットと、そこから切り出されるディスクを示します。引き上げた後および研磨する前のインゴットにはコーンが残っています。（画像提供：Getty Images）

次に、インゴットを研磨して正確な直径を持つブロックにし、結晶方位を示す切り欠きを加えます。その後、ワイヤーソーでブロックをウェハーにスライスし、ダイヤモンド研削盤でウェハーの面取りとラップ加工を行い、化学エッチング、熱処理、研磨、超純水と薬品による洗浄で表面仕上げを行います。ウェハーの平坦度やパーティクルのない清浄度を検査した後、パッケージングされます。

図6：一見、身近な清掃用具も、クリーンルームで使用されるようになると、新たな形が生まれます。(画像提供：ACL Staticide Inc.）

リソグラフィ：まず半導体基板上に金属導体の薄膜を蒸着し、リソグラフィで回路パターン用のマスクを印刷した後、残った導体層をエッチングすることで電子回路を作成します。これらの方法は、もともと大型のプリント回路用に開発されたものですが、現在はナノスケールのICの製造に使われています。金属フィンは格子状に印刷され、5nmプロセスのチップでは約20nmのピッチでフィンが配置されています。この工程の自動化システムには、ダイレクトドライブ技術をはじめ、安定化ベースやソフトウェア、さらにはエアベアリングが採用されることがよくあります。

図7：ナノスケールの構造は、電子顕微鏡だけでなく、走査型トンネル顕微鏡でも調べることができます。ここに示されているようなフォトマスクリペア装置では、欠陥検出やリペア検証を自動化し、スループットを高めています。原子間力顕微鏡は、ナノメータの精度やオングストロームレベルの精度で、欠陥や異物の検出および修復を可能にします。(画像提供：Park Systems)

薄膜材料の蒸着：真空蒸着、スパッタ蒸着、化学気相成長法などを用いて、シリコンウェハー上に金属材料を蒸着する工程です。

パターニング：実際のリソグラフィ工程では、その直後のエッチング工程で選択した領域から金属層が除去されるのを防ぐためにマスクが使用されます。一般的なパターニングプロセスとしては、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィがあります。マスクの隙間にある金属をレーザーや電子ビームで蒸発させます。

エッチング：材料の層を化学的に除去することです。化学ウェットエッチングは、酸、塩基、溶剤などの反応性液体を使用し、一方ドライエッチングは反応性ガスを使用します。ドライエッチングには、反応性イオンエッチングと導電結合型プラズマエッチングがあります。ここでは、自動化された装置が、チップの特性を許容範囲内に収めるための鍵となる、プロセス所要時間と速度を制御します。

イオン注入：シリコンウェハー上に電気接続のグリッドを作ったら、シリコンにドーピングしてNPNまたはPNP接合を作り、その接合部に個々のトランジスタを作る必要があります。これは、ドーピング元素で構成されたイオンビームを接合部に照射することで実現します。加速されて高速になったイオンビームにより、ドーピング元素は基材に注入され、シリコンウェハーの結晶格子に埋め込まれます。リソグラフィ工程で作られたパターンは、イオン注入工程を精密にガイドするために使われます。

自動化による半導体品質の実現

現在、米国の半導体産業の多くは、半導体そのものを製造するのではなく、製造装置を製造しています。これらの装置は、より一般的な機械や電子の製造自動化技術を応用したものです。以下にその例を挙げます。

• リソグラフィ装置はApplied MaterialsやASMLが製造しています。
• 化学気相成長装置は、Lam ResearchやApplied Materialsが製造しています。
• プラズマエッチング装置は、Lam Research、Applied Materials、Plasma-Thermが製造しています。
• イオン注入装置は、Axcelis Technologies、Varian Semiconductor Equipment Associatesが製造しています。

現在、米国は半導体生産量の大半を輸入していますが、すべての製造工程がある程度米国内で実施されています。これには、Intel、GlobalFoundries、Texas Instrumentsなどによるウェハ製造やチップ製造などが含まれています。

チップ製造のための薄膜材料蒸着、リソグラフィパターニング、化学エッチング、イオン注入などのプロセスは、本質的にスケーラブルです。何百万もの個々の接合部を同時に作ることができます。そのため、メーカーは生産性を向上させるために自動化のレベルを上げていますが、最近では品質を向上させるために自動化を進めることも多くなっています。

自動化は、化学物質、チップ、ウェハーのハンドリング作業や、KUKA Robotics社などのメーカーが製造するクリーンルーム用ロボットの使用にも関連しています。後者は、ヒューマンエラーによる損失を減らすために重要な役割を担っています。

図8：7軸システムに乗せた協働ロボットは、シリコンウェハー（厚さ40μm、直径300mmまで）に対し最大1200ステップの処理を行い、チップにします。（画像提供：KUKA Robotics）

しかし、半導体製造では、自動化とはデータの処理とその結果の判定の自動化であることが多いのです。工場では、高度なプロセス制御（APC）や統計的プロセス制御（SPC）のための自動化されたアルゴリズムを使用しています。製造工程をリアルタイムに制御することで、工程のばらつきや製造不良が低減されるのを監視することができます。このようなシステムでは、人工知能や機械学習を用いて、多くのプロセスパラメータや品質指標を追跡する非常に大きなデータセット内のパターンを特定することができます。

Siemensのソートリーダーシップは、APCを、ファジー制御、モデル予測制御、モデルベース制御、統計モデル、ニューラルネットワークなど、制御変数の変動を低減するさまざまな手法に包含されると定義しています。このようなインダストリ4.0技術は、SiemensやSchneider Electricが半導体産業向けに提供するEcoStruxure（2つの例を挙げます）のような統合エコシステムを介して実装されることが多いです。プロセス変数は、機械の状態監視と組み合わせることで、ダウンタイムを回避しながら、日常的な生産機械のメンテナンスを削減する予知保全が可能です。

まとめ

米国は、戦略的に重要な半導体の国内生産の競争力を確保するために動いているので、最先端の自動化が不可欠です。マテリアルハンドリングを行うクリーンルームロボットは、最もわかりやすく目に見える自動化の実装ですが、真の競争上の優位性が得られるのは、実際の製造工程の自動プロセス制御です。シリコン結晶の成長環境の制御から、イオン注入時の接合部の正確なドーピングまで、ナノスケールICの効率的で欠陥のない製造は、何千ものプロセスパラメータをリアルタイムで制御することにかかっています。

最終的には、IIoTセンサ、AIアルゴリズム、その他の高度なモデルベース制御手法の統合による高度なプロセス制御が、米国の半導体産業の競争力を確保することになります。