ニュースの「オングストローム世代」とは？ オングストロームはどのくらい小さい？

オングストロームは長さの単位です。1オングストロームは0.1ナノメートル、つまり100億分の1メートル。逆に言えば、1ナノメートルは10オングストロームです。記号はÅ。ニュースの「オングストローム世代」は、「何ナノ」と数字を小さくしてきたプロセスの世代の名前が2ナノを下回り、オングストロームで呼ぶようになった、ということです。「2ナノ」と同じく世代の名前で、チップの上に、測ってちょうどその数のオングストロームのものがあるわけではありません。

オングストロームとは？ 名前の由来は？

ナノメートルは10億分の1メートル。オングストロームは、その10分の1です。

この単位の名前は、19世紀に光を研究したある物理学者からとっています。彼は太陽の光をスペクトルに分け、そこに見える細い線の波長を1本ずつ測りました。そのとき使った大きさが、100億分の1メートルです。のちに、この単位が彼の名前で呼ばれるようになりました。

国際単位系（SI。メートル、キログラム、秒の仕組み）の正式な単位ではありませんが、科学の世界では100年以上使われています。

1オングストロームは、どのくらい小さい？

だいたい原子1個の大きさです。ほとんどの原子は、幅が1〜数オングストロームしかありません。シリコンが結晶になっているとき、となり合う2つのシリコン原子の中心は、約2.35オングストローム離れています。だから1ナノメートル（10オングストローム）には、シリコン原子が数個しか並びません。

身近なものとくらべると（どれもおおよその目安です）：

もの	だいたいの大きさ
髪の毛1本の太さ	数十万オングストローム
細菌	1万オングストロームほど
ウイルス	1000オングストロームほど
1ナノメートル	10オングストローム
となり合うシリコン原子の距離	2オングストロームちょっと

それでも想像しにくければ、1オングストロームを、ものさしのいちばん小さい目盛り、1ミリに拡大してみます。すると、2つのシリコン原子の間は2ミリちょっと。ウイルスは約1メートルで、小さな子どもくらいの背丈。細菌は約10メートルで、3階建ての建物くらい。髪の毛1本は、太さ数百メートルから1キロになり、小さな山より幅があります。

オングストロームは、これまで何に使われてきたの？

ニュースが「オングストローム世代」と言い出す前から、科学や半導体工場では、毎日オングストロームを使ってきました。

• 原子と結晶：原子の大きさ、2つの原子の間の距離。オングストロームで書くと、ちょうど1桁か2桁の数になります。シリコン原子はきちんと並んでいて、くり返す小さな箱の1辺は、約5.4オングストロームです。
• 光の波長：スペクトルの研究では、よくオングストロームで波長を書きました。目に見える光は、だいたい4000〜7000オングストロームです。
• 工場の薄い膜：チップは1層ずつ積み上げてつくり、いちばん薄い層は数ナノメートルしかありません（「成膜とは？」）。こうした厚さを、工場ではよくオングストロームで書きます。数字が書きやすいからです。「35オングストローム」なら、「3.5ナノメートル」の小数点がいりません。少しずつ膜をつける原子層堆積（ALD）では、よくあるやり方で、1回に約1オングストロームしか増えません。
• ゲートの下の絶縁膜：トランジスタのスイッチをオン・オフする部分をゲートといい、その下には、とても薄い絶縁膜があります。以前は二酸化シリコンでした。初めのころの数百オングストロームから、世代ごとに薄くなり、十数オングストロームまで来ました。ここまで薄いと電子がそのまま突き抜けてリークが増えるので、のちに材料が変わりました。

なぜニュースは「オングストローム世代」と言い出したの？

「ニュースの「2ナノ」、いったい何が2ナノなのか？」を思い出してください。世代の名前は、だいたい「前の世代×0.7」でつけてきました。90、65、45から、5、3、2ナノまで数えてきたのです。

同じやり方で先へ進むと、1.いくつ、1、0.いくつナノになり、言いにくくなります。オングストロームにすると、1.いくつナノは十いくつオングストローム、0.いくつナノは1桁のオングストロームで、また整数に戻ります。0.5メートルを、ふつう50センチと言うのと同じです。

そこで業界とニュースは、2ナノより先の世代をオングストロームで呼ぶようになりました。「オングストローム世代」は、だいたいこの世代のことです。どこから数えるかは、言い方がそろっていません。名前が2ナノを下回る世代から数える人もいれば、1ナノ未満だけをオングストロームの世代と呼ぶ研究論文もあります。公開されている技術ロードマップには、この先の世代として、1ナノ前後、さらに0.いくつナノという名前まで、もう並んでいます。

「オングストローム世代」のトランジスタは、本当に数オングストロームなの？

いいえ。ここがいちばん大事なところです。「2ナノ」と同じく、世代の名前は「第何世代か」を表すだけで、チップの上で測った寸法ではありません。

業界がいっしょにつくる公開の技術ロードマップの「1ナノ」世代の見積もりでは、トランジスタが一列に並ぶ間隔はまだ数十ナノメートル、いちばん密な金属配線の間隔も十数ナノメートルあります。オングストロームにすると数百オングストロームと100オングストローム以上で、名前の数字よりずっと大きいのです。

さっきの「1オングストロームを1ミリに拡大した」ものさしで見ると、この世代のトランジスタの間隔は数十センチ、いちばん密な配線の間隔は十数センチ。それなのに、名前の「1ナノ」は1センチしかありません。

チップの中で本当に数オングストローム、数十オングストロームしかないのは、いちばん薄い膜です。たとえばゲートの下の絶縁膜や、ゲートに四方から包まれた薄いシート。でも、名前はそれを測っているわけでもありません。

では、世代ごとに本当に変わっているのは何？

数字が小さくなる名前の裏には、世代ごとの新しいつくり方があります。それぞれ別の記事で説明しているので、ここでは並べるだけにします。

• トランジスタの形：平らな形から、立てたフィン、さらに四方を包む薄いシートへ（「FinFETとGAAとは？」）。
• 電源配線を裏側へ：電気を送る配線をウェーハの表から裏へ移し、表は信号を運ぶ配線に使います（「裏面電源供給とは？」）。
• もっと細い光：いちばん細い模様は、波長のずっと短い極端紫外線で焼きつけます（「極端紫外線（EUV）とは？」）。

全体としては今も「世代ごとに、より多く詰めこめて省電力になる」のですが、ペースは前より遅く、コストはどんどん高くなっています（「ムーアの法則とは？」）。

製造プロセスとは別に、同時に進んでいる道もあります。分けて、組み合わせることです。全部を1つの大きなチップにつくらず、いくつかに分けて、横に並べたり積み重ねたりして1つのパッケージにまとめます（「ニュースの「先端パッケージ」とは？」「チップレットとは？」）。これはパッケージのやり方で、どの世代のプロセスにも含まれません。

次にニュースで見たら、こう読める

• 「オングストローム世代に入る」：世代の名前が、オングストロームで呼ぶほど小さくなった。だいたい2ナノより先の世代です。トランジスタが数オングストロームになったわけではありません。
• 「1ナノ未満」「サブナノ」：これも世代の名前です。チップの上の何かが1ナノメートルより小さいわけではありません。
• 「オングストローム級の精度」：測定や制御が「オングストローム級」というのは、本当の長さの話です。ずれが原子1〜2個分もない、ということ。世代の名前とは別の話です。

fab24hrでは

ゲームにオングストロームという単位は出てきません。架空の工場も、何ナノなのかは言っていません。いちばん近いのは、ごく薄い膜です。

「工場の一日」で開発ラインの拡散炉の開発プロセスエンジニアを遊ぶと、朝シフトで、Glowmere（架空の補聴器チップ）のゲートの下の酸化膜をどこまで薄くするかを決めます。3回の炉は酸化の時間だけが違い、いっしょに膜をつけたモニターウェーハを見て、どの炉が目標に入ったかを確かめます。薄いとスイッチは速くなり、薄すぎるとリークします。ゲームでは「目標はとても薄い」とだけ言い、何オングストロームかは書いていません。「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「開発ライン」を押し、左右にスワイプして開発プロセスエンジニアにしてから、「拡散炉」を押してください。

メインストーリー「チップの一生」の第2章「一工程ずつ」でも、開発ラインの計測装置で前の日の炉を測ります。膜に光を当て、はね返ってきた光を見て、膜の厚さを計算します。

ゲームに出てくる会社・チップ・人物・数字は架空です。オングストロームと世代の名前についての部分は、公開されている一般的な資料をもとに書き、統一された数字がないところは大きさの目安だけにしています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。