新しい技術は、論文から量産まで何年かかる？ チップのニュースの「ブレークスルー」を読む

ニュースではよく「研究チームが1ナノのトランジスタを作った」「2次元材料で大きなブレークスルー」「量子チップ」「光で計算」といった言葉を見かけます。1〜2年後にはスマートフォンに入りそうに聞こえます。けれど実際には、チップの新しい技術が最初の論文から大量生産にたどり着くまで、10年以上かかることがよくあります。研究室で1個できるのは最初の関門にすぎません。毎回同じに、安く、長持ちするように作れなければならず、装置と材料もひとそろい追いつく必要があります。

「研究でできた」「量産が始まった」「広く使われている」は何が違う？

ニュースに出てくるこの3つの言い方は、あなたのスマートフォンからの距離がまったく違います。

言い方	どこで	どれくらい
研究でできた	研究室	1個か数個。動けばいい
量産が始まった	量産工場	毎日たくさんのウェーハ。顧客に売る
広く使われている	多くのメーカー、多くの製品	ふつうの人が買うものの多くに入っている

論文から量産まで、どんな関門がある？

ステップ1：研究室で1個作る

研究チームが新しい材料や形で、動くスイッチやメモリのセルを1個作り、論文にします。このステップで示すのは、そのアイデアがうまくいくということです。ただ、1個をゆっくり作るしかない方法で作ることも多く、チップにできるかどうかはまだわかりません。

ステップ2：たくさん、どれも同じに作る

次に、ウェーハ1枚全体にたくさん作り、どれもほぼ同じように動くようにします。スマートフォンのチップには100億個を超えるトランジスタがあり、同じリズムでオンとオフを切り替えなければならないからです。一部が大きくずれると、チップ全体が使えなくなることがあります。

ステップ3：ほかの数百の工程とかみ合わせる

チップは数百の工程を通るので、新しい工程は、前後の工程とぶつからないように入れなければなりません。新しい材料が、あとの工程の高温に耐えられないこともあります（ウェーハが通る熱には合計の帳簿があり、熱履歴と呼びます）。ほかの装置を汚してしまうこともあります。たとえば配線をアルミから銅に変えたとき、銅がシリコンにわずかでも入るとトランジスタがリークするので、先に薄い膜で包み、銅に触れた装置は前工程と分けるようになりました（「チップの中の配線はどうつくる？」）。この関門を越えられないと、新しい工程がどれほどよくても、前後の工程をだめにしてしまいます。

ステップ4：装置と材料が追いつく

研究室の装置は1日に数枚こなせば十分ですが、量産の装置は1時間にたくさん、24時間止まらずに処理し、しかもどの装置でも同じ結果を出さなければなりません。だから装置や材料のメーカーは、量産用の装置、ガス、薬液を別に作り、測定装置も新しい構造を測れるようにします。装置が遅すぎればウェーハ1枚が高くなりすぎ、測れなければ正しく作れているかわかりません。

ステップ5：開発ラインで試作し、信頼性を試す

次に開発ラインで、実際の流れどおりにチップ全体を作ります。これが試作です。1ロットをいくつかの組に分け、組ごとに条件を1つだけ変えて（スプリット実験）、いちばんよい組を探すことがよくあります。チップは信頼性の試験も受けます。たとえば高温で電圧をかけて1000時間連続で動かし（HTOL）、早く壊れないかを見ます（「バーンインとは？」）。試験に通らないまま出荷すると、使う人の手元で壊れるかもしれません。

ステップ6：量産工場に渡し、歩留まりを上げる

安定したら、条件をひとまとめにして標準プロセス（POR）に書き、技術移管審査を通ってから量産工場に渡します。これを技術移管と呼びます（「開発ラインと量産工場は何が違う？」）。量産工場では、同じ種類の装置を何台も使って同じものを作れるようにし、歩留まりも少しずつ上げていきます（「チップが大きいほど、歩留まりが下がるのはなぜ？」）。歩留まりが低すぎると、良品1個あたりのコストが高すぎて売れません。

ステップ7：広く使われるようになる

はじめは、新しい技術を使うのは、それをいちばん必要とし、費用も払えるチップだけ、ということがよくあります。使うメーカーが増え、装置や材料が安くなって、ようやくほかの製品に広がります。何世代も前のやり方を使い続けるチップも多くあります。それで十分で、安いからです（「ニュースの「成熟プロセス」とは？」）。だから「量産開始」の日、あなたの手元にあるものの多くは、まだそれを使っていません。

3つの例：それぞれどれくらいかかった？

技術	研究でできた	大量生産が始まった	その後
立てたトランジスタ	1980年代の終わりに似た構造、大学の論文は1990年代の終わり	2010年代の初め	2010年代半ばには、最先端の世代の主流に
EUVリソグラフィ	1980年代	2010年代の終わり	今も、最先端のチップのいちばん細かい層だけ
上に積み重ねるメモリ	2000年代後半（いま量産しているやり方）	2010年代前半	その後、この形に切り替わるフラッシュメモリが増えた

• 立てたトランジスタ：電流が流れる通り道（チャネル）を立てて、ゲートが三方からはさむので、とても小さなスイッチでもしっかり切れます。どういう形か、その後どう四方を包む形に変わったかは「FinFETとGAAとは？」へ。
• EUV：波長が約13.5ナノメートルの光で、より細かいパターンを印刷できます。試作の装置はずっと前からありましたが、光源が弱く、1時間に印刷できるウェーハが少なすぎて、追いつくまでにさらに何年もかかりました（「極端紫外線（EUV）とは？」）。
• 上に積み重ねるメモリ：フラッシュメモリは平面ではもうあまり小さくできないので、セルを1層ずつ上に積み、上から穴で貫きます。いまでは百層を超えています。3つの中ではいちばん速く進んだ例で、上に積むアイデア自体は、もっと前から出ていました。

新しい計算の方式は、すぐにスマートフォンに入る？

多くはまだ研究中です。スマートフォンやパソコンの中で働いているのは、今もトランジスタです（「トランジスタとは？」）。

• 量子コンピュータ：実験用の装置はすでにあり、絶対零度近くまで冷やさないと動かないものもあります。得意なのは一部の特定の問題で、スマートフォンのチップに取って代わるためのものではありません。
• 光で計算する：光でデータを「送る」ことは、データセンターですでに使われています（「ニュースの「シリコンフォトニクス」とは？」）。光で「計算する」ほうは、ほとんどがまだ研究中です。
• 2次元材料：原子1層ぶんの厚さしかない材料で、もっと小さなスイッチになるかもしれません。ただ、ウェーハ全体に均一に育てることや、金属とうまくつなぐことは、まだ解決の途中です。

技術がどこまで来たかを測る物差しはある？

あります。よく使われるのが技術成熟度レベル（TRL）で、1から9まであります。3あたりでアイデアがうまくいくと示され、4で研究室で確かめられ、9は実際のシステムで使われて問題がないと証明された段階です。もとは宇宙開発の計画で使われていたもので、今は多くの政府の研究計画でも使われています。ほかに「量産の準備ができているか」だけを測る製造成熟度レベルもあり、1から10まで、その1つが「試作ラインで作れることを示した」です。

次にニュースを見たら、こう読む

• 「研究チームが1ナノのトランジスタを作った」：ステップ1が終わり、作れることを示した段階です。この「ナノ」は、「2ナノのプロセス」の「ナノ」とも別のものです（「ニュースの「2ナノ」、いったい何が2ナノなのか？」）。
• 「2次元材料で大きなブレークスルー」：たいていはステップ1、2の前進で、たとえばより大きく、より均一に作れるようになった、という話です。量産までには、まだいくつも関門があります。
• 「試作を開始」：ステップ5まで来て、少しずつ作りながら問題を探し、信頼性を試しているところです。
• 「量産を開始」：ステップ6で、量産工場が大量に作り始めました。歩留まりはまだ上がっている途中かもしれず、広く使われるのはもう少し先です。

fab24hrでは

fab24hrで「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」を押して、左右にスワイプして開発インテグレーションエンジニアへ。夜シフトは技術移管審査の前の晩です。8項目のリストのうち2つがまだで、信頼性試験はあと3週間かかるのに、顧客は2週間前倒ししたいと言います。リスク投入を勧めるかどうかは、あなたが決めます。開発ラインには装置メーカーの常駐エンジニアもいて、届いたばかりのエッチング装置を、立ち上げの確認から検収のサインまで見守ります。メインストーリー「チップの一生」の第1〜5章も開発ラインが舞台です。

ゲームが描いているのは、この道のりの最後の数ステップです。最初の12枚を投入してから技術移管審査まで、約4か月。その前の研究はゲームには出てきません。ゲームの会社、チップ、人物、装置、スケジュールは架空のものです。新しい技術にどれくらいかかり、どんな関門を越えるかは、公開されている一般的な資料をもとに書き、年代は10年単位までにしています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。