半導体プロセス・デバイス技術セミナー（全6回）

整理番号0023　　　２０２３年１月１日（日）
駒形技術士事務所開業２０周年と年頭の一言
明けましておめでとうございます。
本年は、駒形技術士事務所の開業20周年（私が技術士の資格を取得してから）という節目の年となります。

これまで支えてくださった皆様に感謝するとともに、今後も全力で技術支援を行ってまいりますので、引き続きよろしくお願い申し上げます。

半導体デバイス製造は、高価な設備投資と大きな運転費、すなわち固定費を前提とした産業です。
さらに、ラーニング・カーブ（半導体産業では、累積生産量が2倍になると、製造技術の向上などにより製造コストが約30％低減するという経験則）や、ウェハ単位・バッチ処理による高い量産性を特徴としています。

そのため、最先端プロセスの製品を大量生産しなければ、本質的に利益を出しにくい産業と言えます。

どこでも実現できる中途半端なプロセスや、少量生産の半導体では、必ずコスト高の問題に直面し、やがて激しい価格競争に巻き込まれてしまいます。

政府は台湾の TSMC を誘致していますが、仮に今すぐ最先端工場が日本で稼働できたとしても、台湾並み（日本の半分以下とも言われる）の人件費で働かなければ、コスト面で事業が成り立たないのではないでしょうか。

また、次世代デバイス（2nmプロセス）を IBM の技術支援を受けて導入しようとしていますが、仮にそれが成功したとしても、その次の世代はどうするのかという問題が残ります。
多額の特許使用料を払い続ける構造になる可能性も否定できません。

結局のところ、自力で開発する習慣を身につけなければ、技術は自分のものにならず、儲かる産業にもなりません。

1970～80年代、日本は米国の技術を模倣（表現は悪いですが）しながら、やがて自国開発へと発展させることができました。
しかし、同じ手法が今後も通用するとは、米国も許さないでしょう。

新年にあたり、あえて一言申し上げます。

日本の半導体技術者よ、自分の力で世界一になるという野望を抱け。

整理番号0020　　２０２２年１０月２５日（火）
半導体太陽電池（ソーラーパネル）は、本当にエコか？
― 定性的考察 ―

ソーラーパネルは、発電時に CO₂ を排出しない一方で、製造時に多くの電力を消費するため、「本当はエコではない」という意見を耳にすることがあります。本当にそうでしょうか。

半導体の製造工程は、国や企業によって分業化されており、概ね以下の工程に分かれます。

• 掘削した珪石から金属シリコンの製造
• 金属シリコンから高純度多結晶シリコンの製造
• 単結晶引き上げ
• ウェハスライス（シリコンウェハ製造）
• 半導体プロセス（前工程）
• 実装工程（後工程）

珪石（SiO₂）から金属シリコンを製造する際には、埋込電極付きアーク炉が用いられ、この工程では確かに大量の電力を消費します。しかし、金属シリコンの主要な生産地は、水力発電によって安価かつ低炭素電力が得られるノルウェーなどの国々です。

一方、近年では中国において、露天掘り石炭を用いた火力発電によって金属シリコンが製造され、多量の CO₂ を排出している点には注意が必要です。ただし、中国自身も大気汚染問題を背景に、再生可能エネルギー比率を高めつつあります。

金属シリコン（純度約98％）は半導体用途としては不十分なため、粉砕後に高温の無水塩化水素を反応させて三塩化シランを生成します。これをガス状態で蒸留し、高純度多結晶シリコン（純度11N）を得ます。

この高純度多結晶シリコンは、CZ法（チョクラルスキー法）や FZ法（フローティングゾーン法）によって単結晶インゴットへと加工されます。CZ法は大口径化に適しており LSI 製造に、FZ法はより高純度が求められる高耐圧デバイスに用いられます。

単結晶インゴットは円柱状に加工された後、ワイヤーソーなどで薄い円板状のシリコンウェハにスライスされます。鏡面研磨後、必要に応じてエピタキシャル成長を施し、ウェハメーカーから半導体メーカーへ供給されます。現在、最先端工場では直径300mmウェハが主流です。

一方、太陽電池用シリコンでは、LSI 用ほどの高純度は不要であり、5N 程度で十分です。
多結晶シリコン太陽電池の場合、LSI 製造時に発生した廃シリコンウェハ（割れ品やプロセスモニター用など）を再溶融・再成形して使用するケースも多く、資源の有効活用が図られています。

多結晶シリコン太陽電池は単結晶型に比べて効率はやや低いものの、コスト面で有利であり、現在では両者がほぼ同程度に利用されています。

太陽電池の製造にも簡易的な半導体プロセスは必要ですが、主に水力発電由来の電力と再利用シリコン材を活用して製造される点を考えると、太陽電池は本質的に環境負荷の小さい発電方式と言えます。

シリコン結晶自体は、太陽光中の放射線程度ではほとんど劣化せず、理論的には非常に長寿命です。実際には、雨水・湿度・温度変化による電極劣化や保護ガラスの透明度低下により、徐々に出力が低下しますが、それでも20年以上にわたり10～20％のエネルギー変換効率で発電を続けます。

植物の光合成のエネルギー変換効率が約1％であることを考えると、太陽電池は極めて高効率なエネルギー変換デバイスです。
石炭は元々植物由来の化石燃料であるため、総合的なエネルギー変換効率の差は明らかです。

LSI や太陽電池の製造には確かに電力が必要であり、特に酸化・拡散炉は大きな電力を消費します。しかし、それは他の製造業でも同様です。

以上を踏まえると、「半導体太陽電池は製造時に大量の CO₂ を排出するためエコではない」という主張は、少なくとも単純化し過ぎた議論と言えるでしょう。

整理番号0019　　２０２２年１０月２２日（土）
ハインリッヒの法則と安全衛生の基本

― 園児置き去り事件を踏まえて ―

前回のブログでは、通園バスにおける園児置き去り事件について述べました。
今回は、その事故防止の観点から、安全衛生の基本的な考え方について触れたいと思います。

ハインリッヒの法則とは、
1件の重大な事故・災害の背後には、29件の軽微な事故・災害、さらに300件のヒヤリ・ハット（事故には至らなかったものの、ヒヤリとした、ハッとした事例）が存在する
とされる法則です。

この法則は、ハーバート・ウィリアム・ハインリッヒ
（Herbert William Heinrich、1886年–1962年）
によって提唱されました。

ハインリッヒは、アメリカの損害保険会社において技術・調査部の副部長を務めていた際、5000件以上の事故・災害事例を分析し、この関係性を示しました。

この法則が示しているのは、重大事故を防止するためには、事故や災害が発生する前段階である「ヒヤリ・ハット」の段階で対策を講じることが極めて重要であるという点です。

通園バスにおける園児置き去り事故においても、統計的に見れば、同様のヒヤリ・ハット事例が事前に必ず存在していたはずです。

ヒヤリ・ハット活動とは、こうした事例を関係者間で共有し、

• なぜ起こったのか
• どうすれば防げたのか
  を話し合い、具体的な対策を講じる取り組みを指します。

この活動を継続的に行うことで、重大事故の発生を劇的に低減できることが、実際に多くの企業や工場の安全活動で確認されています。
現在では、これは安全対策の基本中の基本と言えるものです。

まずは、このヒヤリ・ハット活動を、全国の幼稚園や保育園において体系的に導入していくことが必要ではないでしょうか。

整理番号0018　　２０２２年１０月１７日（月）
通園バス園児置き去りと指差し呼称と安全装置
本日、国会中継で通園バスの園児置き去り対策について、政治家が質問しているのを見て、気になる点がありました。

国の対策は、どうもカメラなどを用いた自動監視型の安全装置に頼る方向を主軸に考えているように見受けられます。

しかし、工場や各種現場において、絶対に間違えてはならない作業や、高度な安全性が求められる作業では、まず「指差し呼称」が徹底されます。
鉄道の駅員や運転士による指差し呼称は、その代表的な例です。

ヒューマンエラーは完全には避けられないものかもしれませんが、まずはこの指差し呼称によって、人為的なミスを極限まで低減させます。

人は間違いを犯します。しかし同時に、修正する能力を持っています。
そのため、安全を確保する場面では、最終確認は必ず人が行うという考え方が基本になります。

安全装置を設置すれば、それで全てが解決するわけではありません。

機械には必ず性能の限界があり、故障や誤作動の可能性も含めて、その信頼性を常に考慮する必要があります。

今回の対応は、こうした基本を十分に踏まえず、機械に依存しすぎる短絡的な思考に陥っているように感じられてなりません。

整理番号0017　　２０２２年１０月１２日（水）
世界最先端半導体ＴＳＭＣについて
TSMCは、台湾に本社を置く世界最先端の半導体ファンドリーメーカーとして広く知られています。

実は、私が会社員だった頃、TSMC社の方に来ていただき、講演会を開催したことがあります。
そのときに受けた印象は、とにかく真面目に、コツコツと地道に技術を積み上げている会社だというものでした。

当時は後工程の外注に関する検討もあり、講演内容は後工程の話が中心でした。
その中で特に印象的だったのが、ワイヤボンディングに関する評価方法です。

具体的には、ワイヤボンドのボール直下の層を、上から順にウェットエッチング（化学薬品による選択的エッチング）で剥離し、
ボンディング時に生じるダメージを詳細に評価している、という説明でした。

正直なところ、真面目な日本人技術者であっても、ここまで地道な評価を徹底することは、なかなかないのではないかと感じました。
こうした「徹底した積み重ね」をひたすら続けてきたことが、現在のTSMCの発展につながっているのだと思います。

この経験から、独創的な技術や革新的な技術だけが、必ずしも世界ナンバーワンになるための条件ではないと強く感じました。

おそらく、日本の半導体産業が世界一だった時代も、本質は同じだったのではないでしょうか。

整理番号0016　　２０２２年１０月１２日（水）（２）
半導体プロセスでは、通常20枚程度のマスク（レチクル）を使用して、各工程を順次処理していきます。

各工程は、大まかに分類すると次の7ステップから構成されています。

1．洗浄
2．成膜
3．レジスト塗布
4．露光
5．現像
6．ドライエッチングやイオン注入などの処理
7．レジスト剥離

したがって、全体の工程数は次のようになります。

7ステップ × 20工程 ＝ 140ステップ

では、このとき、すべてのステップでオペレーターと装置が 99％の信頼性 で動作したとすると、どうなるでしょうか。$$0.99^{140} \approx 0.24$$つまり、完成するウェハは約24％ にしかなりません。

では、99.9％の信頼性 ではどうでしょうか。$$0.999^{140} \approx 0.87$$それでも、完成するのは 約87％ です。

さらに、99.99％の信頼性 を達成して初めて、$$0.9999^{140} \approx 0.99$$となり、約99％の完成率 に到達します。

この計算から分かるように、半導体プロセスでは、
オペレーターと装置は「1万回に1回以下のミス」しか許されない世界にあります。

そのため、奇抜なアイデアや独創性よりも、
決められたレシピを寸分違わず、確実に実行し続けることが何より重要になります。

これは決して派手ではありませんが、
半導体プロセスにおいて不可欠な、非常に特殊で高度な資質と能力なのです。

整理番号0014　　２０２２年１０月１日（土）
原子力発電と代替エネルギー
地球温暖化対策としての脱炭素化を背景に、原子力発電所の再稼働が再び検討されています。

原子力発電所には、冷却システムの電源喪失時に起こる暴走や爆発といったリスクがありますが、それ以上に深刻な問題があります。

それは、高レベル放射性廃棄物の最終処分です。
高レベル放射性廃棄物は、安全なレベルになるまで約10万年にわたり隔離・保管する必要があります。

参考までに、人類史を振り返ると、

• 現在の人類の直接の祖先とされるクロマニョン人の誕生は約4万年前
• 最古の文明とされるメソポタミア文明の成立は約6000年前

と言われています。

この時間スケールを考えると、10万年にわたって保管場所や危険性の記録を確実に引き継ぐことは、極めて困難だと言わざるを得ません。

さらに、日本では地殻変動や海岸線の変化が頻繁に起こります。
将来、保管場所そのものが特定できなくなる可能性も否定できません。

一方、日本は火山国であり、地熱エネルギーという有力な代替エネルギー資源を持っています。
地熱発電は、一度発電所を建設すれば、燃料費がほぼ不要で、安定した電力供給が可能です。

地球温暖化の問題は、長く見積もっても数百年規模の課題でしょう。
それに対し、原子力発電が生み出す負の遺産は、10万年という桁違いの時間軸で人類に影響を及ぼします。

それにもかかわらず、なぜ原子力発電を推進し、
なぜ地熱発電の活用が十分に進められないのか――
私には、どうしても理解できません。

整理番号0013　　２０２２年１０月１日（土）（２）
量子コンピュータ

最近、量子コンピュータが話題になっており、
ある政治家が「日本も量子コンピュータ研究が急務である」と熱弁を振るっていました。

しかし、量子コンピュータは汎用のコンピュータではありません。
少なくとも現時点では、特定の暗号解読に有効なアルゴリズムなど、
限られた用途が知られているに過ぎません。

結局のところ、コンピュータの中核は現在も
パイプライン方式を基本とした従来型の計算機構が担っています。
AIのニューラルネットワークも、量子コンピュータも、
最終的には通常のコンピュータに組み込まれる演算ユニットの一つとして
使われる存在になるのではないかと私は考えています。

このように考えると、本質的に重要なのは
個々の流行技術そのものよりも、
コンピュータ全体の構造や設計思想を理解することではないでしょうか。

そこで私は、コンピュータアーキテクチャの学習が重要だと考え、
現在、Courseraで関連講座を受講しています。

整理番号0012　　２０２２年９月３０日（金）（1）
電気自動車のメリット
先日テレビで、ある経済学者が
「電気自動車は走行時にCO₂を出さないが、発電時にCO₂を排出しているため、環境負荷はエンジン車と変わらない」
という趣旨の発言をしていました。

しかし、これは物事を定量的に評価していないことによる誤りだと考えます。

まず、エネルギー効率を見てみます。

最新の火力発電所に用いられているコンバインドサイクル発電の発電効率は約60％、
送電効率は約96％、
電気モーターの効率は約90％です。

これらを掛け合わせると、

60％ × 96％ × 90％ ≒ 約50％

となり、電気自動車は投入エネルギーの約半分を走行に利用できていることになります。

一方で、

• ガソリンエンジンの効率：約20％
• ディーゼルエンジンの効率：約30％

程度に留まります。

つまり、エネルギー利用効率の時点で、電気自動車は内燃機関車を大きく上回っています。

さらに、コスト面で見ても差は明確です。

一般に、電気自動車は1円分の電気で約1km走行できると言われています。
現在、ガソリン価格が約170円／Lとすると、燃費の良いハイブリッド車であるトヨタ・アクアでも、1Lあたり約17km程度です。

単純に比較すると、

• 電気自動車：約1円／km
• ハイブリッド車：約10円／km

となり、電気自動車の方が約10倍燃費が良い計算になります。

近年は電気自動車の航続距離も大きく伸びています。
長距離運転時でも、充電スタンドは自宅と宿泊施設（ホテル等）にあれば十分だと感じます。

私自身、自動車での旅行でも1日に走行する距離はせいぜい400km程度です。
エアコンやヘッドライトをフルに使用して500km走行し、夜間の睡眠中にフル充電できれば実用上まったく問題ありません。

また、充電設備自体も、基本的にはトランス、整流器、制御回路で構成されるため、構造は比較的単純で、低コスト化も可能です。

電気自動車は、環境面・エネルギー効率・経済性のいずれにおいても、
定量的に見れば明確なメリットを持っていると考えます。

整理番号0011　　２０２２年９月３０日（金）（2）
スペースXの危険性

LSIなどの半導体デバイスは、
機能テスト、構成素子の耐久テスト、LSI全体としての耐久テストを通じて信頼性を保証しています。

LSIは、単に初期に正常に動作すればよいわけではありません。
一般に、以下の3つの故障期間を想定して評価されます。

• 潜在的な欠陥が顕在化して故障する期間（初期故障期間）
• 使用中に設計値を超えるストレスなどにより、偶発的に故障が発生する期間（偶発故障期間）
• 長期間の使用による劣化・寿命によって故障する期間（摩耗故障期間）

これらの特性は、信頼性工学ではバスタブカーブとしてよく知られています。

一方で、詳細な内部事情は不明ではあるものの、
スペースXの開発手法は「試作と失敗を高速で繰り返す」ことに重きを置いた、いわゆる試行錯誤型・高速開発に見えます。

この方法は、初期機能の成立確認には有効かもしれませんが、

• 初期不良の系統的な除去
• 潜在的な欠陥の洗い出し
• 長期信頼性を前提とした設計・評価

といった観点では、十分とは言えない可能性があります。

LSI開発では、
マスク1セットで約20枚、費用にして約2000万円、
試作期間もおよそ半年を要します。

そのため、事前に徹底した機能設計と信頼性設計、評価計画の作り込みを行います。
それでもなお、開発過程では予期しない現象が発生し、大きな問題になることは珍しくありません。

こうした経験を踏まえると、
人命を直接預かるロケットのようなシステムにおいて、
信頼性設計・作り込み・評価が十分でなければ、極めて危険です。

スペースXの開発手法は革新的である一方、
信頼性工学の観点から見ると、設計・評価の弱さが目立つように感じられます。

技術的な挑戦と安全性・信頼性の確保は、
本来、両立されなければならないものです。

整理番号0010　　２０２２年９月３０日（金）（３）
ワイヤレス給電

以前、学会に出席した際、
あるエンジニアと大学の先生がワイヤレス給電について長時間議論している場面に出会いました。

しかし、この問題は、
電磁気学・電気回路学・電気回路網理論を体系的に学んでいれば、
本質的にはそれほど難しい問題ではありません。

ワイヤレス給電は、電気自動車への応用研究が進められているほか、
すでにスマートフォンの充電などで実用化されています。

給電側コイルの自己インダクタンスを L1、
受電側コイルの自己インダクタンスを L2、
両者の相互インダクタンスを M とすれば、
ワイヤレス給電系は疎結合トランスとして表現できます。

この回路は、容易に T型等価回路へ変形でき、
回路理論的に非常にシンプルに解析することが可能です。

さらに、
L1・L2・M はコイルの物理的・幾何学的形状から計算、
あるいは解析的に傾向を把握することができるため、
設計自体も理論的に十分見通しを立てられます。

ここで重要なのは、

• 電磁気学的な物理イメージ
• 電気回路としての抽象化されたイメージ

この2つを往復しながら考えることです。
言い換えれば、抽象化のレベルを自在に切り替える能力が求められます。

ところが、最近の議論を見ていると、
こうした基礎的な学問体系が十分に共有されていないのではないか、
という疑問を感じざるを得ません。

やはり、近年の大学教育では、
電磁気学・回路理論といった基礎学科が疎かになっているのではないでしょうか。

整理番号0009　　２０２２年９月３０日（金）（４）
ラプラス変換とオームの法則

ラプラス変換は、もともとある技師が経験的な手法として発明し、実務で使っていたものだと言われています。
当初は、理論的な根拠が十分に整理されておらず、
「邪道ではないか」「数学的に正当なのか」と疑問視されることもありました。

その後、数学者によって理論的な裏付けが与えられ、
一般性を持つ数学的手法として体系化されました。
現在では、制御工学や回路解析に欠かせない基本ツールとして広く使われています。

一方、私が学生の頃、
オームがオームの法則を発見した際の実際のノートの写真を見たことがあります。

そこには、膨大な測定データと計算式がびっしりと書き込まれており、
現在、誰もが当たり前のように使っている
「V＝IR」という簡潔な式に到達するまでに、
どれほどの試行錯誤と洞察が必要だったのかを思い知らされました。

今では教科書の最初の方に出てくるオームの法則ですが、
その背後には、地道な実験と粘り強い思考の積み重ねがあります。

私たちエンジニアは、
こうした先人たちの偉業の上に立って仕事をしているという事実を、
決して忘れてはならないと思います。
（左写真Top20 Incredible Facts Georg Ohms-Discover Walks Blog  www.discoverwalks.comより引用）

整理番号0008　　２０２２年９月３０日（金）（５）
シュレディンガーの波動方程式

学生時代、量子力学の講義で、
電子が薄いポテンシャル障壁を通過する際の波動関数を
手計算で求めた経験があります。

ポテンシャル障壁内部では電子の波動が
指数関数（エクスポネンシャル）状に減衰し、
障壁の反対側からは振幅の小さな正弦波が現れます。

この現象はトンネル効果として知られており、
現在の微細MOSトランジスタにおける
ゲートリーク電流の本質的な原因でもあります。

当時は単なる演習問題でしたが、
自分の手で計算した結果として
「減衰する波動」と「再び現れる波」が
明確な形で現れたことが強く印象に残っています。

時間に余裕があれば、
このような手計算による理解の経験は、
後になって必ず役に立つものだと感じています。

整理番号0007　　　　２０２２年９月２５日（月）
第９回目アップデート
第９回目のアップデートを行いました。

近年、AIやロボット工学が注目を浴びていますが、
実際にシステムを実装する段階になると、
電磁気学、電気回路学、電子材料物性工学などの基礎理解が不足しているために、
ノイズをはじめとする様々な問題に直面し、
システムが不安定になるケースを多く見かけます。

電磁気学は、あらゆる電磁気的問題を解決する上で非常に有効な学問ですが、
大学講義におけるベクトル解析の段階でつまずいてしまい、
結果として使いこなせていない学生が多いことは残念に思います。

一方で、コンピューターシミュレーションを活用すること自体は、
決して悪いことではありません。
しかし、解析的な視点を失ってしまうと、
直感的な見通しが立てにくくなり、
モデル入力や条件設定にばかり時間を費やしてしまう傾向があります。

結局のところ、
原点に立ち返って基礎を理解することが、最も近道である
と考えています。
原点に立ち帰ることが近道と考えています。

整理番号0006　　　　２０２２年９月１７日（土）
第８回目アップデート
第８回目のアップデートを行いました。

ＷＯＷＯＷの２か国語放送海外番組を英語のオリジナル音声で聞き始めました。
（前に述べたシステムで、２０．５日間遡って見られるので便利です。）

プロジェクトランウェイ、グッドドクター、グレイズアナトミー、ＦＢＩインターナショナル等です。

たまたま、プロジェクトランウェイを２回目視聴したら、ほぼ聞き取れました。英語の学習には、面白い番組を選ぶことが大事なようです。

整理番号0003　　　２０２２年８月２８日（日）
第５回目アップデート
第５回目のアップデートを行いました。

モバイル端末からも見やすいようにフォントの調整等を行いました。（写真は図書ルーム兼打ち合わせルームです）

整理番号0002　　　２０２２年８月２２日（月）
第４回目アップデート

第４回目のアップデートを行いました。

去年から、ＴＶ番組の見逃しを防ぐために、地上波７チャンネルとＷＯＷＯＷ　３チャンネルを含めた衛星放送１０チャンネルを２４時間、最長２０．５日間すべて自動録画しています。

番組は、リビング、寝室、書斎のどこからでも見られます。とても快適です。音声検索も出来るので、資料検索に使えて便利です。