半導体のサプライチェーンとは？ 上流から下流まで、だれが何をしている？

半導体のサプライチェーン（バリューチェーンとも呼びます）は、1個のチップが何もないところから製品になるまでに通る、会社の長い連なりです。材料と装置、設計ソフト、チップの設計、フォトマスク、ウェーハ工場、後工程、そしてチップを製品に組み込む会社まで続きます。ニュースの「上流」「下流」は、この連なりをいくつかに区切った呼び方です。どこで区切るかは場所によって違うので、よくある2通りをあとで説明します。

「半導体入門」では、これらの段階を1つの表でまとめました。この記事では連なりを1か所ずつたどり、それぞれで3つのことを見ます。何をするのか、なぜ別の会社なのか、欠けたらどうなるのか。

チップは、どんな会社を通ってできあがる？

1か所目：材料と装置

• 何をする：ウェーハ工場では、まっさらなウェーハ（シリコンの結晶を棒状に育て、薄く切って磨く専門の会社がつくります）、たくさんのガスと薬品、ウェーハに塗る光に弱いレジスト、平らに磨くための研磨液を使います。後工程の工場では、チップを載せる基板、つなぐための細い金属線、外側を包む樹脂が要ります。装置は装置メーカーがつくります。
• なぜ別の会社か：ガスを極限まで純粋にすること、露光装置を1台つくることは、どれもそれだけで専門分野です。たくさんの工場に売るサプライヤーだからこそ、その技術と設備のコストを分け合えます。
• 欠けたらどうなる：よく使うガスや薬品が1つ切れると、それを使う工程が止まり、後ろに並んだウェーハもすべて止まります。

2か所目：設計ソフトとIP

• 何をする：チップは、EDAと呼ばれる専用のソフトで設計します（EDAとは？）。多くのチップには、ほかの会社が設計した回路のブロックを買ってそのまま入れてあり、これを半導体IP（IPコア）と呼びます（半導体IP（IPコア）とは？）。家を建てるときに、図面は買ったソフトで描き、ドアや窓は既製品を買うのに似ています。
• なぜ別の会社か：同じソフト、同じブロックを、たくさんの設計会社に売れます。どの会社もゼロから書かずにすみます。
• 欠けたらどうなる：設計ソフトがなければ、チップの中の膨大なスイッチは描けず、チェックもできません。

3か所目：チップの設計

• 何をする：チップに何をさせるかを決め、コンピューターで回路を設計し、何度もチェックしてから、最終の設計データを渡します。これをテープアウトと呼びます（テープアウトとは？、チップはどうやって設計する？）。
• なぜ別の会社か：設計に要るのは人とソフトで、工場は要りません。小さな会社にもできます。自分の工場を持たない設計会社も多く、ファブレスと呼ばれます。
• 欠けたらどうなる：チェックが足りず、テープアウトのあとで設計の間違いに気づくと、設計を直してフォトマスクをつくり直すことになり、お金がかかるうえに何か月も遅れます。

4か所目：フォトマスク

• 何をする：設計データを、露光に使う「原版」であるフォトマスク一式にします。チップの層ごとに少なくとも1枚、一式で数十枚になることがよくあります（フォトマスクとは？）。
• なぜ別の会社か：フォトマスクは電子ビームかレーザーで少しずつ描き、検査して修正します。専用の装置と技術が要るので、マスクショップと呼ばれる専門の工場でつくります。ウェーハ工場が自分で持っているところもあれば、どこからでも注文を受けるところもあります。
• 欠けたらどうなる：フォトマスクが届かなければ、ウェーハ工場は始められません。フォトマスクに欠陥が1つ増えると、どのショットの同じ位置にも同じ不良が焼き付きます。

5か所目：ウェーハの製造

• 何をする：ウェーハ工場はフォトマスクのとおりに、ウェーハに何百もの工程を通して、回路を1層ずつつくります。数週間から数か月かかります（半導体はどうやって作られる？）。
• なぜ別の会社か：連なり全体でいちばんお金がかかる段階で、先端の工場を建てるには年単位の時間がかかります。1社のチップだけでは工場が埋まらないことが多いので、たくさんの会社のチップをつくるファウンドリがあり、設計も製造も自社で行うIDMもあります（ニュースのファブレス、ファウンドリ、IDMは何が違う？）。
• 欠けたらどうなる：工場が止まると、中にあるすべての顧客のチップが遅れます。増産も急げません。ウェーハ投入からやり直しです（ウェーハをつくるのにどれくらいかかる？）。

6か所目：後工程（組立とテスト）

• 何をする：できあがったウェーハは、まずウェーハテストで1個ずつテストし、切り分けてパッケージに入れ、封止したらもう一度テストします。抵抗やコンデンサなどの小さな部品といっしょに、小さなモジュールにまとめるものもあります（SiP、「SiPとは？」）。この段階を後工程と呼び、専門の後工程工場で行うことがよくあります（OSATとは？）。
• なぜ別の会社か：使う装置も材料もウェーハ工場とはまるで違い、パッケージの種類も多いからです。たくさんの顧客の仕事を受ける後工程工場なら、装置を遊ばせずにすみます。
• 欠けたらどうなる：組み立てる装置も基板もなければ、できたウェーハは待つしかありません。テストを省けば、不良のチップが顧客に届きます。

7か所目：製品に組み込み、あなたの手元へ

• 何をする：パッケージに入ったチップやモジュールを回路基板にはんだ付けし、スマホやパソコン、車に組み込みます。組み立ては、電子機器の組み立てを請け負う専門の会社に任せることがよくあります。
• なぜ別の会社か：1つの製品に入るチップは何社ものもので、組み立てにはまた別の種類の工場が要ります。
• 欠けたらどうなる：車1台には何個ものチップが入っています。安いチップが1個足りないだけで、車は完成しません。

まとめると、段階ごとに必要なお金が大きく違い（設計にかかるのは主に人とソフト、いちばんお金がかかるのはウェーハ工場）、専門知識もまるで違います。1つの段階に特化して多くの顧客を受ければ、コストを分け合えます。こうした会社どうしがどうつながるかは、「チップの設計会社は、ファウンドリとどう進める？」へ。

上流・中流・下流は、どう分ける？ よくある2つの言い方

「上流」「下流」は川にたとえた言い方です。チップは設計、製造から、製品へと流れていきます。どこで3つに区切るかは場所によって違い、よくあるのは次の2通りです。

	上流	中流	下流
その1：チップのつくり方で分ける	チップの設計（IPも含めることがある）	ウェーハの製造	後工程（組立とテスト）
その2：産業全体で分ける	材料、装置、設計ソフト、IP	チップをつくる：設計、製造、後工程	チップを製品に使う：スマホ、パソコン、車

その1は、場所によってはニュースでよく見かける分け方で、チップをつくる3つの段階だけを見ます。材料と装置は別に数えることもあれば、上流に含めることもあります。その2はもっと引いた見方です。チップをつくる段階はすべて真ん中で、そこに物を届けるのが上流、チップを使うのが下流です。だから「上流」という言葉を見たら、どちらの意味かを確かめてください。設計会社のこともあれば、材料メーカーのこともあります。

1つ欠けると、なぜ全体が遅れる？

この連なりは、段階が順につながっています。前の段階が渡さなければ、次の段階にはやることがなく、いちばん遅い段階が、製品のできあがる日を決めます。切れたところは、すぐには埋まりません。

• 簡単には替えられない：新しい材料、装置、後工程工場を使う前には、少量で試して、同じ結果になるかを確かめます（半導体工場の変更管理とは？）。
• 取り戻すのに時間がかかる：ウェーハ投入からできあがりまで数週間から数か月、新しい工場を建てるには年単位です。
• 1個足りないだけで止まる：数年前の半導体不足のときには、各地で、チップが足りないために生産を減らす自動車工場が出ました（ニュースの「成熟プロセス」とは？）。

fab24hrでは

メインストーリー「チップの一生」では、架空の補聴器用チップ「Glowmere」を追って、この連なりのいくつもの場所を通ります。プロローグ「テープアウト」で、小さな会社が設計をウェーハ工場に渡し、フォトマスク一式になります。第一幕は開発ラインでの試作、第二幕は量産工場、第三幕は後工程工場で、テストされて爪より小さなモジュールに組み込まれます。終章で補聴器に組み込まれ、シェンさんの父のもとへ届きます。図鑑のチップの履歴書も、同じ5つの段階で並んでいます。

開発ラインには、装置メーカーの常駐エンジニアという役割もあります。新しいエッチング装置を、立ち上げ検査から顧客の検収のサインまで担当します。「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「開発ライン」を押し、左右にスワイプしてその仕事へ。量産工場でリソグラフィやCMPのプロセスエンジニア、ファシリティになると、サプライヤーから届いたものでトラブルが起きることがあります。たとえば新しいロットのレジストや、分析証明書が合わないガスボンベです。ゲームに出てくる会社・チップ・人物は架空です。サプライチェーンの分業は、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ごとに違います。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。