半導体はどうやって作られる？ 製造工程を順番にわかりやすく

半導体チップは、高純度のシリコンでできた丸いウェーハの上に、回路を1層ずつ「焼き付け」ては「削る」工程を何十回もくり返し、最後にテストして切り分け、パッケージに入れてもう一度テストして作られます。材料は、砂にふくまれるシリコンをとても高い純度まで精製したものです。ウェーハの上に作られるのは、ものすごい数の小さなスイッチ（トランジスタ）と、それをつなぐ配線。全部で数百の工程があり、工場の中だけで数週間から数か月かかります。

以下、順番に、何をするのか、なぜするのかを説明します。くわしくは、それぞれの記事へ。

半導体の製造工程は、どんな順番？

順番	工程	どこで	何をする
1	ウェーハを作る	ウェーハを作る工場	シリコンを高純度に精製し、インゴットに育て、ウェーハに切る
2	設計、フォトマスク	設計会社、マスク工場	コンピューターで回路を設計し、回路を焼き付けるためのフォトマスク一式にする
3	回路を1層ずつ作る	半導体工場	洗浄、酸化、成膜、リソグラフィ、エッチング、イオン注入、平坦化を何十回もくり返す
4	ウェーハテスト	後工程工場またはテスト工場	切り分ける前に、チップを1個ずつテストする
5	ダイシング、パッケージ	後工程工場	1個ずつに切り分け、チップを守るパッケージに入れる
6	ファイナルテスト	後工程工場	パッケージに入れてからもう一度テストし、良品だけを出荷する
7	製品に組み込む	お客さんの組立工場	回路基板にはんだ付けし、スマートフォンやパソコンに入れて、使う人のもとへ

1と2は順番に行うのではなく、別々の場所でそれぞれ準備します。ウェーハとフォトマスクが両方とも半導体工場にそろってから、3が始まります。業界では、3を「前工程」、4〜6を後工程（組立とテスト）と呼ぶことが多いです。

1. ウェーハはどうやって作る？

砂や石英のおもな成分は、シリコンと酸素がくっついた二酸化シリコンです（なぜシリコンを使うのかは「半導体とは？」）。まず高温の炉の中で炭素を使って酸素を取り除くと、純度98〜99%ほどのシリコンになります。そこから化学的な方法で何度も精製し、チップ用のシリコンは99.9999999%（9が9つ並ぶ「ナインナイン」）以上の純度にします。

次にそれを溶かし、原子がきれいに並んだシリコンの小さなかけらを種にして、回転させながらゆっくり引き上げると、円柱形の結晶「インゴット」が育ちます。これを薄く切り、鏡のように平らに磨いたものがウェーハです。いまいちばん多いのは直径30センチ（12インチ）で、厚さは1ミリもありません。なぜ丸いのかは「ウェーハはなぜ丸いのか」へ。

2. なぜ先に設計して、フォトマスクを作る？

工場は図面どおりに作るからです。エンジニアはまずコンピューターで回路を設計します。どこにどんなスイッチを置き、どうつなぐか、シミュレーションとチェックを何度もくり返します。決まったら設計データを渡します。これがテープアウトです。設計データはフォトマスク一式になります。パターン1層に1枚、数十枚になることも多く、回路を焼き付けるためのネガフィルムのようなものです。

同じチップの設計が碁盤の目のようにウェーハ全体に並び、1枚で数十個から1万個以上を同時に作ります（チップとウェーハの違いは「半導体チップとは？」）。

3. 半導体工場の中では何をしている？

ウェーハのロットを生産ラインに載せることをウェーハ投入といいます。そこからウェーハは、次のような工程を行ったり来たりします。

1. 洗浄：薬液と超純水で、目に見えない粒子、有機物、金属を洗い流します。大きな工程の前後にはほぼ必ず洗うので、いちばん回数の多い工程のひとつです。（ウェーハ洗浄とは？）
2. 拡散炉（酸化）：一度に100枚以上をとても熱い管に入れ、シリコンの表面に電気を通さない二酸化シリコンの膜を育てたり、熱で乱れた原子を元の並びに戻したりします。（拡散炉では何をしている？）
3. 成膜：ウェーハの上に新しい材料の層をつけます。絶縁するものも電気を通すものもあり、厚さはたいてい数ナノメートルから数百ナノメートルです。（成膜とは？）
4. リソグラフィ：光に反応するレジストを塗り、フォトマスク越しに光を当てて現像し、その層のパターンを焼き付けます。（フォトリソグラフィとは？）
5. エッチング：レジストのパターンどおりに、覆われていない材料を削り取ります。これでパターンが本当にウェーハに刻まれます。（エッチングとは？）
6. イオン注入：ホウ素やリンなどの原子をシリコンに打ち込み、どの小さな部分にどれだけ電気を通すかを決めます。打ち込まない場所は、先にレジストで覆っておきます。（イオン注入とは？）
7. CMP（平坦化）：層を重ねるたびに表面はでこぼこになります。平らに磨けば、次の層のパターンがくっきり焼けます。（CMPとは？）

大事な工程のあとには、何枚かを抜き出して測ります。膜の厚さ、線の幅、上下の層がきちんと重なっているか、余計なパーティクルがないか。数字がずれたら止めて原因を探します（半導体工場は、工程がうまくいったかをどう確かめる？）。この7つの仕事には、それぞれのエリアがあります。「半導体工場の7つのプロセスエリアは、それぞれ何をしている？」へ。

なぜ同じ工程を何十回もくり返す？

チップは高いビルのようなものだからです。いちばん下の階は、シリコンの中に作るトランジスタ、つまりスイッチです。その上にとても細い金属の配線が1層、また1層と重なり、スイッチどうしをつなぎます。最先端のチップでは10層以上になります。

層ごとに形がちがうので、層ごとにひと回りします。材料の層をつけ、リソグラフィでその層のパターンを焼き、エッチングかイオン注入をし、洗い、平らに磨き、次の層へ。シンプルなチップで10層前後、複雑なものは何十層にもなります。1枚のウェーハはリソグラフィのエリアに何十回も戻り、全部で数百の工程になります。前工程の中でも、トランジスタを作る前半と、配線を作る後半に分けて呼ぶことがよくあります。

なぜクリーンルームで作る？

チップの線がとても混み合っているからです。最先端のチップでは、いちばん密な線の間隔は数十ナノメートルしかありません。目に見えないほどのほこりでも、回路の上では大きな岩のようなもの。線を切ったり、2本の線をつないでしまったりして、そのチップは不良になります。

だからチップはクリーンルームで作ります。ろ過した空気が天井から真下へ流れ、人は頭から足まで覆う防塵服を着て、ウェーハは密閉された箱に入って工場の中を移動します。どれくらいきれいかは「クリーンルームはどれくらいきれい？」へ。

ウェーハができたあとは？ テスト、ダイシング、パッケージ

ウェーハは工場を出て、後工程工場（またはテスト専門の工場）へ送られます。そこからは、だいたい次のとおりです。

1. ウェーハテスト：切り分ける前に、とても細い針をすべてのチップの端子に当てて電気を流し、テストします。良品と不良品はウェーハマップに記録します。先に不良品を見つけておけば、パッケージにお金をかけずにすみます。（チップはどうテストする？）
2. ダイシング：ウェーハを裏から削って薄くし、チップとチップのあいだの細いすき間に沿って切り、1個ずつに分けます。
3. パッケージ：よくあるやり方では、チップを小さな基板に固定し、髪の毛より細い金属の線で端子を外へつなぎ（ワイヤボンディングとは？）、全体を樹脂で包みます。パッケージは薄くて割れやすいチップを守り、端子を外に出し、熱を逃がします。（パッケージングとは？）
4. ファイナルテスト：パッケージに入れたあと、もう一度テストします。パッケージの工程でチップが壊れることもあるからです。製品によっては出荷前に、高温で電気を流してしばらく動かし、弱いものを先に壊して見つけ出します。（バーンインとは？）
5. 出荷：良品は多くの場合、長いテープの小さなくぼみに1個ずつ入れてリールに巻き、お客さんの工場へ。機械が1個ずつ回路基板にはんだ付けし、製品に組み込まれて、使う人のもとへ届きます。

チップを作るのに、どれくらいかかる？

ウェーハ投入からウェーハ完成までは、ふつう数週間から数か月。先端のものほど、層が多いものほど長くかかります（ウェーハ投入とは？）。その時間の大半は、加工ではなく、装置の前で順番を待っている時間です。装置は高価で、ウェーハはそれだけ長くラインにいるので、半導体工場は24時間止まりません（半導体工場はなぜ24時間止まらないのか）。ウェーハが完成したあとも、出荷までには後工程の時間がかかります。

fab24hrでは

fab24hrのメインストーリー「チップの一生」は、架空の補聴器用チップ「Glowmere」を追いかけて、この道のりをまるごと歩きます。プロローグ「テープアウト」では、Glowmere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。第一幕は開発ライン。第2章「一工程ずつ」はウェーハ投入から最初の5日間です。第1ロットの12枚について行き、洗浄、拡散炉、成膜、リソグラフィ、エッチング、CMP、イオン注入の7つのエリアを回って、エリアごとに1工程をあなたが自分の手で進めます。第二幕は量産工場。あなたはエッチングのプロセスエンジニアで、Glowmereの特急ロットH-2417がエッチング装置の中で止まっています。第三幕は後工程工場で、ウェーハテストから出荷前夜まで。終章では補聴器に組み込まれ、シェンさんの父のもとへ届きます。各段階が何章にあたるかは「チップの一生」のページにまとめてあります。

1つのエリアでもっと過ごしたいなら、「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」か「開発ライン」を押し、左右にスワイプしてその仕事へ。エリアのある仕事は、名前の下でエリアも選びます。ゲームの会社、チップ、人物、ロット番号、数字は架空のものです。チップがどう作られるか、なぜそれぞれの工程をするのかは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。