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半導体工場の装置を、分解して見る

25種類の装置を、ウェーハが通る順に

チップは装置を1台ずつ通ってできあがります。下の装置はどれもfab24hrのゲームで出会う装置で、説明はゲームの「分解して見る」と同じものです。「分解して見る」を押すと、ブラウザで3Dモデルが開きます。組み上がった状態から分解し、部品ごとの説明を読んだら、「動きを見る」で1回分の動きを見てください。スマホでも見られます。

OHT（天井搬送） · ストッカー · エアシャワー · クラスタツール · バッチ式洗浄槽 · 枚葉洗浄チャンバー · 縦型炉 · CVDチャンバー · PVDチャンバー · コータデベロッパ · 露光装置 · エッチングチャンバー · イオン注入装置 · 化学機械研磨 · 電子顕微鏡の測定装置 · サブファブ · ボンベキャビネット · ウェーハプローバ · ダイシング装置 · ダイボンダ · ワイヤボンダ · モールド装置 · X線検査 · ファイナルテスト · 信頼性試験のオーブン

OHT（天井搬送）

AMHS・搬送

ウェーハケースは、工場の中ではたいてい人が押して運ぶものではない。天井の下にはレールの網が張りめぐらされていて、OHTがレールにぶら下がって走り、ウェーハケースを装置から次の装置へ、あるいはストッカーなどへ運ぶ。装置の真上に着くと、ベルトでケースを吊り下ろし、装置のロードポートに置く。ここではレールの一部と、OHT1台、装置1台の入口を描いている。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：ウェーハは工場の中をどう移動する？ FOUPと天井を走るOHT

ストッカー

STOCKER・搬送

ウェーハケースが工程と工程のあいだで装置を待つあいだ、一時的にこういう自動倉庫に置かれる。中には棚がずらりと並び、真ん中の通路をクレーンが走って上下し、フォークでケースを棚に入れたり、また取り出したりする。OHTも人も、ロードポートでロットを置いたり取ったりする。どのケースがどの棚にあり、どの装置を待っているかは、システムがすべて覚えている。分解すると外装が透明になる。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：ウェーハは工場の中をどう移動する？ FOUPと天井を走るOHT

エアシャワー

AIR SHOWER・入口

更衣室とクリーンルームのあいだにある小部屋。防塵服に着替えて中に入ると、両側のノズルから強いきれいな空気が吹き出し、防塵服の表面にゆるくついた微粒子をいくらか吹き飛ばす。吹き落とされたほこりは下の吸い込み口に吸われ、フィルターを通ってまた吹き出される。2枚の扉はインターロックになっていて、同時には開かない。ここでは部屋の壁を透明にしている。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：クリーンルームでは、なぜ全身を覆う防塵服を着るのか

クラスタツール

COMMON・共通の骨組み

ウェーハは正面のウェーハケースから出発する。前面モジュールのアームがそれを予備真空室に入れ、真空引きが終わると、中央の搬送チャンバーのアームが周りの反応チャンバーへ送りこむ。処理が終わると、同じ道をたどってウェーハケースに戻る。エッチング装置も成膜装置も「骨組み」はこの形で、違うのは反応チャンバーの中で何をするかだ。

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バッチ式洗浄槽

WET BENCH・洗浄

ウェット洗浄は、薬液でウェーハをきれいにする工程。有機物、微粒子、表面のごく薄い酸化膜を取り除く。バッチ式は1バッチ（よくあるのは約50枚）をまとめて洗う。ウェーハケースを左の投入台に置くと、アームがウェーハをまとめてつかみ、薬液槽に1つずつ順番にひたす。薬液を1種類終えるたびにリンス槽に移して純水で洗い流し、最後に乾燥槽で乾かして、右側から出す。分解すると外装が透明になり、槽は左右に離れ、配管キャビネットは下へ移動する。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：ウェーハ洗浄とは？ なぜ何度も洗うのか

枚葉洗浄チャンバー

SINGLE WAFER CLEAN・洗浄

ウェーハをスピンチャックに平らに置き、回しながら上から薬液をかける。振り飛ばされた薬液は周りの飛散防止カップが受け止める。続いて純水に切り替えて洗い流し、最後に水を止め、高速で回しながら窒素を吹きつけて振り切り、乾かす。1回に1枚なので、どのウェーハも条件が同じで、バッチ式の槽よりきれいだが、時間がかかる。そのため1台の装置に、こうしたチャンバーをいくつも、多いものでは十数個も積み重ねて同時に動かすことが多い。ここではチャンバーを4分の1だけ切り開いている。

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縦型炉

FURNACE・拡散炉

縦に立った「オーブン」。100枚あまりのウェーハを石英のボートに重ねて並べ、下から石英管の中へ上げていく。外側のヒーターが管を数百℃から1000℃あまりまで加熱する。酸素を流せばウェーハの表面に酸化膜が育ち、圧力を下げてほかのガスを流せば、ポリシリコンや窒化シリコンのような膜が育つ（減圧CVD）。終わるとボートは下のローディングエリアへ降り、アームがウェーハをケースに戻す。管は4分の1だけ切り開いてある。

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CVDチャンバー

CVD・成膜

CVD（化学気相成長）は、ウェーハの上に薄い膜を「育てる」工程。ガスが上のシャワーヘッドから均一に降りそそぎ、加熱されたウェーハの表面で化学反応を起こして、酸化シリコンや窒化シリコンのような固体の層を残す。このタイプはプラズマの助けを借りる（PECVD）ので、温度をそれほど上げなくても膜が育つ。ここでは反応チャンバーを4分の1だけ切り開いている。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：成膜とは？ チップはどうやって1層ずつ積み上げていくのか

PVDチャンバー

PVD・成膜

PVD（物理気相成長）は、ウェーハの上に金属（アルミ、銅、チタンなど）の膜をつける工程で、工場ではよく「スパッタ」と呼ぶ。チャンバーを高真空にしてアルゴンを少し流し、ターゲットに数百ボルトのマイナスの電圧をかけると、アルゴンがプラズマになる。アルゴンイオンはターゲットに引き寄せられてぶつかり、ビリヤードのように金属の原子をはじき出す。その原子が下のウェーハに降り積もって膜になる。ターゲットの裏には回転する磁石の板があり、プラズマをターゲットの表面に集める。ここではチャンバーを4分の1だけ切り開いている。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：成膜とは？ チップはどうやって1層ずつ積み上げていくのか

コータデベロッパ

TRACK・リソグラフィ

ウェーハはまずコータデベロッパの中でレジストを塗られて焼かれ、反対の端から露光装置へ送られる。露光から戻ると、もう一度焼いてから現像液にひたし、パターンを浮かび上がらせる。2台はひとつのラインにつながっていて、ウェーハが1枚また1枚と中を流れていく。リソグラフィエリアの照明が黄色いのは、レジストが青い光や紫外線に弱いからだ。実際の装置はモジュールがもっと多く、もっと高く積み重なっているが、ここでは上下2段に簡略化してある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：フォトリソグラフィとは？ チップの回路パターンはどうやって焼き付けるのか

露光装置

SCANNER・リソグラフィ

リソグラフィエリアでいちばん高価な装置。レーザー光が照明系を通って細長い光の帯になり、フォトマスクを通り抜ける。その下の投影レンズがマスクの図形を縮小して（よくあるのは4分の1）、ウェーハ上のレジストに映す。露光中はマスクとウェーハが逆向きに同時に動き、光の帯で1区画全体をなぞる。終わると次の区画へ移り、ウェーハ1枚に数十から百ほどの区画を焼きつける。最先端の極端紫外線の装置はレンズのかわりに反射鏡を使い、装置全体を真空にする。モデルは縮尺を変えてある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：フォトリソグラフィとは？ チップの回路パターンはどうやって焼き付けるのか

エッチングチャンバー

ETCH・エッチング

エッチングは、ウェーハのうちレジストに覆われていない部分を削りとる工程。チャンバーを真空にしてガスを流しこみ、上のコイルでガスをプラズマにする。下の電極にも電圧をかけてプラズマ中のイオンを下へ引き寄せ、ウェーハにまっすぐ打ちこむと、深くまっすぐな穴や溝が掘れる。ここでは反応チャンバーを4分の1だけ切り開いて見せている。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：エッチングとは？ ドライエッチングとウェットエッチングは何が違う？

イオン注入装置

IMPLANT・イオン注入

シリコンにホウ素、リン、ヒ素をほんの少し加える（ドーピング）ことで、トランジスタが動くようになる。イオン注入装置は、これらの原子を含むガスをイオンにし、電場で引き出して1本のイオンビームにする。分析マグネットでビームを曲げると、ちょうどよい質量のものだけが曲がりきって通り抜ける。さらに加速・走査して、ウェーハの表面に均一に打ち込む。打ち込む量は電流と時間で、深さは電圧で決まる。モデルでは真空の管を取り除いてある。紫の線がイオンビームで、大きさの比率は縮めてある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：イオン注入とは？ 半導体工場はどうやって原子をシリコンに打ち込むのか

化学機械研磨

CMP・平坦化

CMPは、紙やすりで表面を平らに削るのに似ている。ただし紙やすりの代わりに研磨パッドを使い、砂にあたるのは研磨液の中の細かい粒子。さらに薬品で表面をやわらかくして、削りやすくする。研磨ヘッドがウェーハをつかみ、表を下にして回転する研磨パッドに押し当て、3つの定盤で順に磨く。磨き終えたら、まず右側の洗浄エリアでブラシ洗浄、水洗い、スピン乾燥をしてから、ウェーハケースに戻る：濡れた研磨液は決して装置の外へ持ち出さない。これを「ドライイン・ドライアウト」という。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：CMPとは？ ウェーハはなぜ平らに磨くのか

電子顕微鏡の測定装置

CD-SEM・測定

リソグラフィやエッチングのあとは、ウェーハを何枚か抜き取って、線幅が合っているかを測る。線の幅は数十nmしかなく、光の波長は数百nmもあるので、光でははっきり見えない。そこで電子を使う：電子銃が電子を撃ち出し、磁界レンズがそれを細い点に絞り、走査コイルがそれを行ったり来たりさせる。検出器がはね返ってきた電子から白黒の画像をつくり、その画像から線幅を測る。最初から最後まで、真空と防振が欠かせない。ここでは鏡筒と真空チャンバーの一角を切り開いてある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：半導体工場は、工程がうまくいったかをどう確かめる？ 計測と検査の違い

サブファブ

SUBFAB・装置の下の階

クリーンルームで見える装置は、半分にすぎない。床の下に、もうひとつの階がまるごとある：装置ごとに、ここに専用の真空ポンプ、排ガス処理装置、冷却装置があり、電源ラックまで下の階に置くものもある。冷却水、純水、乾燥空気、窒素も、ここから床を通して上へ送られる。この階の人たちが水・電気・ガスを管理しているから、装置は動ける。ここでは1台の装置の下にある設備を、まわりに広げて見せている。

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ボンベキャビネット

GAS CABINET・サブファブ

毒性・可燃性・腐食性の特殊ガスは、1本ずつこういう鉄のキャビネットに入れてある。キャビネットはいつも排気していて、中には検知器がある。ガスはボンベから出ると、バルブパネルで減圧・制御されてから配管へ送り出され、バルブボックスを通って各装置に分けられる。ここではキャビネットの扉を透明にしている。

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ウェーハプローバ

PROBER・後工程

ウェーハができあがり、切り分ける前に、チップを1個ずつ全部テストする。プローバの役目は、ウェーハを運んで位置を合わせること：チャックがウェーハを押し上げ、プローブカードの細い針をチップの金属パッドにぴたりと当てる。上のテストヘッドと後ろのテスターが信号を送り込んで反応を見て、良し悪しをウェーハマップに記録する。不良のチップは、切り分けたあと組立に回さない。高温と低温で1回ずつテストすることも多い。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：チップはどうテストする？ ウェーハテスト（CP）とファイナルテスト（FT）の違い

ダイシング装置

DICING SAW・後工程

テストを終えたウェーハは、裏に粘着フィルムを貼り、外側を金属のフレームで支えて、ダイシング装置に入れる。まずカメラがチップとチップのあいだのダイシングラインを見つける。スピンドルがとても薄いダイヤモンドブレードを高速で回し、テーブルがウェーハを載せてブレードの下を行き来して、1本ずつウェーハを切り抜いていく。ただしフィルムは切らないので、切り分けたチップはきちんと元の位置に貼りついたまま。切り終えたら洗って乾かす。レーザーで切る方法もある。モデルでは、ブレードのまわりを大きくしてある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：パッケージングとは？ できあがったチップをさらに包む理由

ダイボンダ

DIE BONDER・後工程

切り分けたウェーハは、まだフィルムに貼りついたまま。ダイボンダはウェーハテストの結果どおりに、良品のチップだけを選ぶ。下の突き上げピンがチップを1個押し上げ、上の吸着ノズルがそれを吸い取って、基板の、接着剤を塗っておいた位置へ運び、押しつけて貼る。1個また1個と貼り、1本貼り終えたら焼きに送って、接着剤を硬化させる。作業台のまわりを大きくしてある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：パッケージングとは？ できあがったチップをさらに包む理由

ワイヤボンダ

WIRE BONDER・後工程

切り分けたチップをリードフレームに貼りつけたら、とても細い金属線で、チップの金属パッドと外側のリードをつなぐ。これで電気が出入りできるようになる。ボンドヘッドの先のキャピラリが、まずパッドに小さなボールを押しつけ、弧を描いてリードまで線を引き、そこで押しつぶして切る。使うのは熱と圧力と超音波の振動で、1秒に十数本をつなげる。モデルでは、ボンドヘッドのまわりの部品を何倍にも大きくしてある。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：ワイヤボンディングとは？ チップはどうやって外とつながる？

モールド装置

MOLDING・後工程

ワイヤボンディングを終えた基板ストリップを熱い金型に入れ、上型と下型を合わせて締めつける。ポットの中の樹脂タブレットが熱でやわらかくなり、プランジャーがそれを押し上げて、細いランナーを通して1つ1つのキャビティへ押しこみ、チップとワイヤをまるごと包む。型の中で形が保てるまで固まったら型を開けて取り出し、そのあとオーブンでしばらく焼いて完全に固めてから、1個ずつに切り分ける。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：パッケージングとは？ できあがったチップをさらに包む理由

X線検査

X-RAY・後工程

封止したモジュールは、外から中が見えない。X線はプラスチックを通り抜けるが、金属には一部さえぎられる。X線を下からモジュールに通し、上の検出器で受けると、細いワイヤまで見える白黒の画像ができる。それでワイヤが押し流されて曲がっていないか、触れ合っていないかを見る。箱の壁には鉛の板が入っていて、扉を閉めてロックしないとX線は出ない。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：パッケージングとは？ できあがったチップをさらに包む理由

ファイナルテスト

FINAL TEST・後工程

封止して切り分けたモジュールを、まるごともう一度テストする。選別機（ハンドラ）がアームでモジュールを1個ずつソケットに入れて押し下げ（何個かまとめて入れ、同時にテストして時間を節約する装置も多い）、すべての端子を下の小さなプローブに触れさせる。下のテストヘッドと後ろのテスターが信号を送りこみ、反応を測る。終わったら結果どおりに分ける。良品は1つのトレイに、不良品は原因ごとに別のトレイに入れる。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：チップはどうテストする？ ウェーハテスト（CP）とファイナルテスト（FT）の違い

信頼性試験のオーブン

RELIABILITY・後工程

出荷前のモジュールからいくつかを抜き取り、バーンインボードに差してオーブンへ入れる。扉を閉めて温度を上げ、焼きながら電圧をかけて動かす。何日も続けて早めに「老け」させ、壊れないかを見る。終わって何個壊れたかで、このロットの「できたばかりで壊れやすい」部分（バスタブ曲線のいちばん左）が高いかどうかがわかる。

分解して見る・動きを見る → · あわせて読みたい：バーンインとは？ チップを出荷前に「焼く」のはなぜ？

授業で使う

それぞれの「分解して見る」は、その装置を直接開くリンクです。プリントやスライド、授業のページに貼っておけば、生徒はゲームの中を探さずにその装置を開けます。ゲームの図鑑にも「装置一覧」があります。7つのプロセスエリアを1コマずつ扱う流れは授業でfab24hrを遊ぶにあります。

本当のことと、簡略化したこと

装置の構造と動きは、公開されている教科書や大学の講義資料をもとに、一般的な形だけを描いています。大きさ、数字、部品は簡略化していて、特定のメーカーの装置ではありません。操作の訓練にも使えません。参考にした資料については紹介ページの「参考にした資料」をご覧ください。

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