チップの設計会社は、ファウンドリとどう進める？ 発注から納品までの流れ

ニュースでよく見る「あのチップがファウンドリで生産を始めた」の裏には、チップの設計会社と半導体工場のあいだの長い流れがあります。まずプロセスを選んで設計ルールを受け取り、生産枠と日程を決める。設計を渡してマスクにし、ウェーハを投入して工場で数か月かけてつくり、検査してから、後工程工場でテストと組立をする。テープアウトからチップが手元に届くまで、数か月かかるのがふつうです。

ファウンドリとは何かは「ニュースの「ファウンドリ」とは？」で書きました。この記事では、2つの会社が1ステップずつどう進めるかを見ていきます。

発注から納品まで、どんなステップがある？

本の出版にたとえてみます。出版社が原稿を印刷会社に渡し、紙と印刷日を決めてから、印刷会社が版をつくり、刷って、製本します。チップも同じですが、どのステップも、もっと時間とお金がかかります。おおまかに8つのステップです。

ステップ1：プロセスを選び、設計ルールとデバイスモデルを受け取る

• 何をする：ファウンドリと、プロセスの世代と、その世代の中のどの版かを選びます（同じ世代でも、速さ重視、省電力、待機中のリークがとくに少ないもの、といった何種類かに分かれていることがよくあります）。ファウンドリからは、設計用のファイル一式が渡されます。PDK（プロセス・デザイン・キット）と呼ばれることが多く、設計ルール（線をどこまで細くできるか、2本の線をどこまで近づけられるか）、トランジスタのモデル（回路の速さや消費電力をコンピュータで計算するためのもの）、チェック用のルールファイルが入っています。
• なぜ：トランジスタのでき方は、会社ごと、世代ごとに違います。設計は、その工場でつくれるものに合わせて描く必要があります（「チップはどうやって設計する？」へ）。
• しないと：ルールが違えば、チェックを通りません。モデルが違えば、できあがったチップの速さや消費電力が、コンピュータの計算と大きくずれます。

ステップ2：生産枠と日程を決める

• 何をする：テープアウトはだいたいいつか、最初に何枚投入するか、その後は毎月どれくらい要るかを話し合います。ファウンドリは装置の予定に入るかを確かめ、枠を押さえます。生産枠を確保するために、先にお金を払う契約もあります。
• なぜ：ウェーハは、つくるのに何か月もかかり、装置の予定は埋まっていることがよくあります（「半導体工場の生産管理は何をしている？」へ）。
• しないと：設計ができても枠に入れず、待つしかありません。製品がよく売れても、増やせません。

ステップ3：テープアウトして、設計データを渡す

• 何をする：設計のチェックがすべて通ったら、最終のレイアウトデータ（各層の図形）をファウンドリに渡します。これをテープアウトといいます（「テープアウトとは？」へ）。受け取ったファウンドリも、自分でもう一度チェックします。
• なぜ：次のマスクづくりは高くて時間がかかるので、まちがいはここで見つけておきたいからです。
• しないと：ウェーハができてからまちがいに気づくと、お金と数か月がいっしょに消えます。

ステップ4：マスクをつくる

• 何をする：いちばん細かい層は、パターンをまずコンピュータで補正します。それから各層をフォトマスクにして、検査します。フォトマスクは回路を焼き付けるための「原版」で、1セットで数十枚になることがよくあります（「フォトマスクとは？」へ）。
• なぜ：パターンは、マスク越しに光を当ててウェーハに焼き付けます。印刷に先に版が要るのと同じです。
• しないと：マスクに見落とした欠陥が1つあれば、すべてのウェーハに焼き付きます。

ステップ5：ウェーハ投入

• 何をする：マスクが届き、流す工程の順番が決まったら、最初のロットのウェーハを生産ラインに載せ、最初の工程を始めます。これがウェーハ投入です（「ウェーハ投入とは？」へ）。
• なぜ：数か月後にどれだけ、だいたいいつ納められるかは、この日でほぼ決まるからです。
• しないと：投入が1週間遅れれば、出荷も1週間遅れます。途中で増やしたくても、たいていは最初の工程からやり直しです。

ステップ6：ウェーハが1工程ずつ、数か月かけて進む

• 何をする：ウェーハは数百の工程を通り、1層ずつ積み上がっていきます。業界ではよく、平均3か月くらいと言われ、先端のプロセスほど長くなります（「ウェーハをつくるのにどれくらいかかる？」へ）。途中で装置が止まったりロットがホールドされたりすれば、ファウンドリはお客さんに、遅れるかどうかを伝えます。
• なぜ：チップは数十層あり、どの層も焼き付け、エッチング、成膜、測定が要ります。時間の大半は、装置の順番待ちです。
• しないと：工程を1つ飛ばせば、チップの層が1つ足りません。早くしたければ、待ち時間を減らすしかなく（たとえば特急ロットにする）、工程は減らせません。

ステップ7：出荷前にWATを測り、データを渡す

• 何をする：ウェーハができたら、まずWATです。チップとチップのあいだに測定用に置いた小さな構造にプローブを当て、トランジスタや抵抗といった基本の数字が合っているかを見ます（「WATとは？」へ）。この数字は、ウェーハといっしょにお客さんへ渡されることがよくあります。
• なぜ：このロットが約束どおりのプロセスでつくられ、お客さんが設計に使ったモデルと合っていることを示すためです。
• しないと：ずれても気づかないまま、テストされ、切られ、組み立てられて、お金と時間がむだになります。

ステップ8：後工程工場へ送る

• 何をする：ウェーハを出荷用の密閉ケースに入れ、お客さんの手配どおり後工程の工場へ送ります。そこでウェーハテストで1個ずつ測り、ウェーハマップを描いてから、切り分け、パッケージに組み立て、もう一度テストします（「チップはどうテストする？」へ）。
• なぜ：チップはまだウェーハの上でつながっていて、パッケージもないので、そのままでは回路基板にはんだ付けできません。
• しないと：不良を先に取り除かないと、いっしょにパッケージされ、お金がよけいにかかり、お客さんの手元まで届いてしまうこともあります。

最初の試作は、なぜ「シャトル」に乗ることが多い？

サンプルを何個かつくるためだけにマスクを1セットつくるのは、高すぎます。よくあるやり方がマルチプロジェクトウェーハ（multi-project wafer、略してMPW）で、シャトルとも呼ばれます。何社かの設計を同じマスクのセットに詰め込み、1回分のウェーハでいっしょにつくって、費用を分け合います。乗り合いバスのようなもので、1台貸し切りにしなくていいかわりに、時刻表どおりに出発します。

• よいところ：費用のごく一部で、実際に工場でつくったチップが手に入ります。大学でも使われていて、学生が自分で設計したチップを実際につくれます。
• 引きかえに：出発日は決まっていて、乗り遅れたら次の便を待ちます。戻ってくるチップの数は限られ、多くはテスト用です。大量に出荷する製品は、やはり自分のマスクを1セットつくります。

エンジニアリングロットと量産ロットは何が違う？

自分のマスクを1セットつくった場合でも、新製品の最初の何ロットかは、たいていエンジニアリングロットです。試すため、問題を見つけるためのもので、売るためではありません。何枚かをわざと速め・遅めにつくり、設計が持ちこたえられるかを見ることがよくあります。これがスプリット実験で、そのずらし方をコーナーと呼びます。

量産ロットは、お客さんに渡して売るためのものです。固定された標準のやり方（POR）どおりに流し、どのロットも同じにつくります。量産に移る前には、たいていいくつかの関門があります。歩留まりが十分に安定していること、信頼性試験に通ったこと、お客さんが認めたこと。試験が終わる前に投入してしまうのがリスク投入です。

うまくできなかったら、途中で変えたくなったら？

最初のロットが、一度ですべてうまくいくとはかぎりません。設計会社はチップを基板に載せてテストし、ファウンドリはWATとウェーハマップを見て、どの工程がずれたかを探します。同じデータを見ながら両方で原因を探し、歩留まりはロットごとに上がっていきます（「チップが大きいほど、歩留まりが下がるのはなぜ？」へ）。

• 設計がまちがっていた：設計を直してもう一度テープアウトし、変わった層のマスクをつくり直して、ウェーハは最初からです。費用を抑えるよくある方法は、あらかじめ予備の論理ゲートをチップのあちこちに置いておくことです。直すときはトランジスタの上の配線だけを変え、変わった層のマスクだけをつくり直します。
• ファウンドリがプロセスを変えたい：お客さんが確かめたのは、もとのやり方でつくったチップです。だから、お客さんに影響する変更は、先に正式に知らせます（「半導体工場の変更管理とは？」へ）。

次にニュースで見たら、こう読める

• 「新しいチップがテープアウトした」：設計を渡し、これからマスクをつくる段階です。チップはまだ誰の手元にもありません。
• 「ファウンドリで生産を始めた」：ウェーハをつくり始めたということ。できるまで数か月かかり、そのあとにテストと組立があります。
• 「サンプル出荷を始めた」：チップを買う会社に、試してもらうためのチップを少し送り始めたということ。まだ大量出荷ではありません。
• 「来年まで受注で埋まっている」：来年までの生産枠の多くに、もうお客さんの注文が入っているということ。新しい注文は、枠が空くのを待ちます。

fab24hrでは

メインストーリー「チップの一生」は、架空の補聴器用チップ「Glowmere」を追いかけます。プロローグ「テープアウト」で、その設計が半導体工場に渡り、フォトマスク一式になります。第1章「12枚をどう分ける」はウェーハ投入の前日です。あなたは開発ラインの開発インテグレーションエンジニアで、第1ロットの12枚をどう分けるかを決めます。顧客の製品エンジニアのレオが、ビデオ通話でスプリット表を見にきます。第4章「2週間前倒し」では、信頼性試験はまだ3週間残っています。それを待つか、リスク投入にするか、お客さんへの提案をあなたが決めます。

「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「量産工場」を押し、左右にスワイプしてプロセスインテグレーションエンジニア（Beta）を選びます。深夜、新製品の第1ロットの電気テストの結果が出て、朝8時には後工程工場へ出荷の予定です。夜は、顧客のレオがオンラインで、あなたの説明を待っています。「後工程工場」を押して顧客窓口までスワイプすると、その夜シフトがメインストーリー第12章「出荷前夜」です。

ゲームの会社、チップ、人物、数字は架空のものです。設計会社とファウンドリがどう進めるかは、公開されている一般的な資料をもとに書いていて、実際のやり方は会社によって違います。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。