人間の髪の毛の直径は7万ナノメートル、周囲は22万ナノメートルです。5ナノメートルプロセスでチップを製造することは、髪の毛に沿って4万4千本の道路を建設するようなものです。

著者: Liu Zhirong 出典: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

2020年5月15日、米国はファーウェイのチップに対する禁輸措置を発表した。それ以来、チップは中国国民の間で広く注目を集めている。禁輸措置は9月15日に発効した。TSMC、MediaTek、Qualcomm、Sony、Samsung、SK Hynix、Micronといった世界的に有名なチップメーカーは、ファーウェイにチップを供給できなくなった。9月16日、中央規律検査委員会は公式ウェブサイトに「ファーウェイのチップ供給停止は、中国のチップ産業の涅槃の始まりかもしれない」との記事を掲載した。

私たちは毎日チップスについて話していますが、チップスが何なのかご存知ですか？

1. チップの発明は人間の生活をどのように変えましたか？

1947年12月23日、アメリカのベル研究所の科学者3人、ジョン・バーデン、ウィリアム・ショックレー、ウォルター・ブラットンは、ゲルマニウム結晶トランジスタを発明し、電子世界を半導体時代へと導いた。この3人の発明者は、1956年のノーベル物理学賞を受賞した。

1950年代は半導体の黄金時代だった。ほぼすべての半導体材料と基本的な製造プロセスはこの時期に開発された。

1954年10月18日、テキサス・インスツルメンツ社はトランジスタラジオを発明した。4つのトランジスタを搭載したこのラジオは、ポケットに収まるほど小型だった。

1958年9月12日、テキサス・インスツルメンツの電子エンジニア、ジャック・キルビー（1923-2005）は集積回路を発明し、1959年には世界初の集積回路であるチップの製造に成功しました。この集積回路は、ゲルマニウムチップ上にPNPトランジスタ（トランジスタ）、抵抗器、コンデンサをエッチングし、外部配線で接続して回路を形成するものです。このシンプルな集積回路は、チップ産業の幕開けとなり、人類の科学技術を新たな高みへと押し上げ、人々の生活様式を根本から変えました。

半導体製造技術の継続的な進歩により、トランジスタ1個あたりの価格は大幅に低下した。1959年には1チップに6個のトランジスタが搭載され、1個あたり10ドル相当だった。1971年には1チップに2,000個のトランジスタが搭載され、1個あたり0.3ドル相当になった。そして2004年には1チップに数百億個のトランジスタが搭載され、1個あたりの価格は10億分の1ドルにまで下がった。チップのコストパフォーマンスの向上により、チップは一般家庭にも普及するようになった。

チップは20世紀最大の発明と言えるでしょう。そして、他の多くの発明もチップを基盤としています。今日、私たちはチップに囲まれた世界に生きており、チップなしでは生活していくことは困難です。

人々の日常生活はチップと切り離せない。携帯電話、コンピューター、スマートウォッチなどのスマートデバイスにはチップが搭載されている。光モデム、ルーター、USBフラッシュドライブ、メモリーカード、モバイルハードディスクなどのネットワーク機器にもチップが搭載されている。ネットワーク機器やコンピューター周辺機器にもチップが使われている。IDカード、パスポート、銀行カード、ショッピングカード、消費カードなどの個人識別カードにもチップが搭載されている。テレビ、スピーカー、プロジェクター、充電器、LEDライト、電子秤、エアコン、冷蔵庫、電子レンジ、IHクッキングヒーター、給湯器などの家電製品にもチップが搭載されている。アクセス制御、監視、太陽電池などにもチップが必要だ。もし誰かが世界中のすべてのチップを無効にするコードを発明したら、人類の生活は完全に停止してしまうだろう。

ジャック・キルビーは、チップの発明により2000年のノーベル物理学賞を受賞しました。彼はまた、携帯型電卓と感熱式プリンターの発明者でもあります。キルビーは科学者と呼ばれると、謙虚にこう答えました。「科学者とは物事を説明する人で、素晴らしいアイデアを持っていなければなりません。私は問題解決者であり、エンジニアです。私の仕事は、新しいプロセスを発明し、新しい製品を製造し、発明や創造物から利益を得ることです。」

2. チップを理解するには、まず「PN接合」を理解する必要があります。

上記のように、ダイオード、トランジスタ、抵抗器、コンデンサなどの電子部品は半導体材料上に作られ、配線で接続されます。これが集積回路、またはチップと呼ばれるものです。チップを理解するには、まず半導体技術の中核である「PN接合」を理解する必要があります。

半導体材料に五価元素を添加すると、電子濃度が増加してN型半導体が形成されます。一方、半導体材料に三価元素を添加すると、正孔濃度が増加してP型半導体が形成されます。「正孔」とは、共有結合上の電子がエネルギーを得て共有結合の束縛から解放され、自由電子になった後に、共有結合上に残る空孔のことです。

P型半導体とN型半導体が密着すると、負に帯電した電子と正に帯電した正孔が互いに向かって拡散します。電子と正孔の拡散によって接触面に内部電界が形成され、この内部電界が拡散を阻害することで、電子と正孔は元の方向へドリフトします。電子と正孔の拡散速度とドリフト速度が動的平衡に達すると、P型半導体とN型半導体の接触面に「PN接合」が形成されます。

PN接合の主な特性は「単一伝導性」です。P型半導体端を正極、N型半導体端を負極とした場合、PN接合に電流が流れます。一方、N型半導体端を正極、P型半導体端を負極とした場合、PN接合に電流は流れません。コンピュータにおけるバイナリビットの利用は、このPN接合の特性によって決まります。PN接合に電流が流れる状態は「1」、電流が流れない状態は「0」を表します。

「PN接合」はダイオードの一種です。2つのP型半導体がN型半導体を挟むと、三極管が形成されます。これが前述のPNP型三極管です。もちろん、2つのN型半導体の間にP型半導体が挟まれている場合は、NPN型トランジスタになります。

一般の人はチップの「実体」を見ることはできません。チップは人間のフケほどの大きさで、人間の爪ほどの大きさです。非常に薄いため、外部回路に接続する前に密封されたシェルにパッケージ化する必要があります。コンピューター、テレビ、その他の電気機器を開けると、大きな回路基板が見えます。回路基板上には多くの電子部品があります。複数のピ​​ンを持つ電子部品がチップです。これらのピンはチップの入出力端子に接続されています。チップパッケージの両面にあるもの、四面にあるもの、底面にマトリックス状に配置され、1,000本以上のピンが密集しているものもあります。

3. チップを作ることは、米粒の上に地球とすべての道路や建物を彫り込むようなものだ??

ここで触れておくべき概念があります。それは「ムーアの法則」です。1965年、世界的に有名な半導体メーカーであるインテル社の共同創業者、ゴードン・ムーアは、1つのチップ上のトランジスタ数が毎年倍増すると提唱しました。後に彼はこれを2年ごとに倍増すると修正しました。この予測は、実際に検証され、概ね正しいことが証明されています。2011年には、インテルのCore i7チップには22億7000万個のトランジスタが搭載されていました。現在では、一部のハイエンドチップのトランジスタ数は数百億個を超えています。数年前には、半導体メーカーのセレブラス・システムズがTSMCの16nmプロセス技術を用いて製造したAIチップWSEに、1兆2000億個ものトランジスタが集積されました。

「プロセス」とは、チップ上のトランジスタのゲート幅を指し、一般的にはトランジスタのサイズとして理解できます。プロセスが小さいほど、1つのチップ上に製造できるトランジスタの数が増え、集積回路は大きくなります。

チップの集積度が高まるにつれ、チップの処理速度は向上し続けている。チップの集積度が高くなるほど、搭載される電子部品は小型化し、電子部品間の配線も短くなる。電流が流れる時間が短縮され、エネルギー消費量が削減され、処理速度が向上する。

チップに搭載するトランジスタ数を増やす方法は3つあります。1つはチップ面積を増やすこと、もう1つはトランジスタのサイズを小さくすること、そして3つ目は集積回路を3次元化することです。チップ面積を増やす方法は、エネルギー消費量の増加とチップの効率低下につながるため、一般的には採用されません。現在では、チップ上のトランジスタ数を増やす方法として、主に後者の2つの方法が用いられています。

チップ製造はミクロの世界に属し、その上の電子部品はわずか数個の原子または分子ほどの大きさで、ナノメートルやオングストロームといったさらに小さな単位で測定されます。一般的な定規の最小目盛りはミリメートルで、1ミリメートルは1000ミクロン、1ミクロンは1000ナノメートル、1ナノメートルは10オングストロームに相当します。人間の髪の毛の直径は7万ナノメートル、周囲は22万ナノメートルです。5ナノメートルプロセスでチップを製造することは、髪の毛に沿って4万4000本の道路を建設するようなものです。

電子部品の小型化には限界があるため、トランジスタ数を増やすために、1つのチップ上に多層集積回路を構築することが検討されています。これは、住宅を建てるのと似ています。平屋建ての家は少数の居住者しか収容できませんが、数十階建ての建物は多数の居住者を収容できます。集積回路の積層は、建物を建てるよりもはるかに複雑です。建物の各階のレイアウトは同じですが、チップの各層の回路は異なり、層間の接続は非常に複雑です。

この比喩をさらに発展させてみましょう。チップの製造は、米粒の上に地球全体を彫り出すようなもので、地球上のすべての道路や建物を彫り出さなければなりません。道路はチップ上の配線、建物はチップ上の電子部品に相当します。この比喩を通して、読者はチップの製造がいかに複雑で困難な作業であるかを想像できるでしょう。

4. シリコンの精製は半導体産業の基盤である。

半導体材料には多くの種類があるが、実用上は90%以上がシリコンを使用している。これは、シリコンの融点が摂氏1415度と高く、チップ製造における高温プロセスを可能にするためである。

シリコンは砂から精錬されますが、チップ製造に使えるシリコンにするには極めて高い純度が必要です。純度99.99%の金は純金（99.99%）と呼ばれますが、チップ製造に使われるシリコンの純度は少なくとも99.99%、つまりシリコン原子10億個あたり不純物原子が1個以下でなければなりません。この純度のシリコンは、1955年にアメリカのベル研究所によって精製されました。現在、1つのチップには数千億個もの電子部品が搭載されており、シリコンの純度要件はさらに高く、少なくとも99.99%が求められています。これがチップ製造の基礎です。シリコン精製技術を習得しなければ、チップを作ることは不可能です。

読者の中には、なぜチップ製造に必要なシリコンはそれほど高純度でなければならないのかと疑問に思う方もいるかもしれません。チップ上の電子部品は非常に小さいため、5ナノメートルプロセスで製造されたチップは、1ナノメートルの不純物でもチップ全体が破壊されてしまいます。例え話で考えてみましょう。道路の幅が40メートルで、道路の中央に幅1メートルの大きな石があったとしても、車は石を避けて通ることができ、渋滞は発生しません。しかし、道路の幅がわずか5メートルで、道路の中央に幅1メートルの大きな石があった場合、車は石を避けることができず、道路は通行止めになってしまいます。

そのため、チップ製造には高純度のシリコンが必要なだけでなく、製造工程のあらゆる段階で粉塵が一切発生しないことが求められます。その純度は病院の手術室の10万倍にも達し、工程の半分は真空環境で行われます。こうした理由から、チップ製造工場は新型コロナウイルス感染症の流行時にも操業を停止する必要がありません。作業員は全身を保護されており、中には呼吸器系を備えた防護服もあり、人間の代謝産物や呼気によるチップの汚染を防いでいるからです。

5. リソグラフィー装置は実際には集積回路プロジェクターなのでしょうか？?

「リソグラフィー装置」という名称は翻訳が不正確で、非常に誤解を招きやすい。多くの人が、リソグラフィー装置はコンピューターの彫刻のように、物理的な接触によって結晶シリコンの表面に集積回路を「彫り込む」と誤解している。実際には、チップは「彫り込まれる」のではなく「撮影される」。したがって、リソグラフィー装置は「集積回路プロジェクター」と呼ぶ方がより適切である。

チップ製造用のウェハがフォトリソグラフィ工程に入ると、フォトリソグラフィ装置はマスクを通してウェハ表面のフォトレジスト上に集積回路パターンを投影します。フォトレジストが露光された後、露光された領域は化学溶液でエッチングされ、洗浄されます。こうして集積回路パターンが形成されます。フォトリソグラフィ工程は、従来の写真と同じ原理です。光がネガを通過して印画紙を感光させ、その後、感光された印画紙を現像し、化学溶液で定着させます。

チップは数十回、場合によっては数百回ものフォトリソグラフィー工程を経る必要があり、フォトリソグラフィー後のいくつかの工程を経て、パッケージング段階に入るまでに数週間を要する。

半導体製造技術は日々進化しているが、その中核となる技術のほとんどはベル研究所から生まれたものである。ベル研究所の情報技術革命への貢献は、歴史に永遠に刻まれるだろう。

7. フォトリソグラフィー装置があればチップを作ることができますか？

多くの読者はフォトリソグラフィ装置に強い関心を持ち、フォトリソグラフィ装置だけでチップを作れると考えています。しかし、実際はそうではありません。フォトリソグラフィ装置はチップ製造において重要な役割を果たしますが、チップ製造における1,000以上の工程のうちの1つに過ぎません。フォトリソグラフィ装置があっても、他の工程を習得していなければ、チップを作ることはできません。

1961年、アメリカのGCA社が世界初のフォトリソグラフィー装置を製造した。現在、リソグラフィー装置を製造できる企業は世界4カ国に7社あり、オランダのアスマイアー、アメリカのインテル、スーパーテクノロジーセミコンダクター、ルドルフ、日本のニコンとキヤノン、そしてドイツのスシマイクロである。

前述の通り、半導体産業の基盤は材料、すなわちシリコンの精製である。シリコン精製技術を習得しなければ、チップレベルの純度を持つ結晶シリコンを製造することは不可能であり、チップを作ることも不可能である。

さらに、チップ上には数千億個もの電子部品が搭載されています。このような巨大な回路を手作業で描くことは不可能です。電子設計自動化ソフトウェア（EDA）を使用する必要があります。EDAは多くの自然科学分野を総合的に応用したものであり、Kadant、Synopsys、Mentor Graphicsという3つのアメリカ企業が市場を独占しています。

EDAはチップ製造プロセスにおいて決定的な役割を果たします。チップの機能と統合性は、EDAの設計能力に完全に依存します。高純度シリコンやフォトリソグラフィ装置があっても、EDAがなければ、あるいはEDAの使い方を知らなければ、チップを作ることはできません。

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