駒形技術士事務所

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。今年は、駒形技術士事務所開業２０周年になります。皆様への支援を全力で行いますので、これからもよろしくお願い致します。

半導体デバイス製造は、高価な設備と運転費（つまり固定費）とラーニング・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等の向上により、製造コストが３０％下がるという経験則）、また、ウェハとバッチで作る量産性の良さにより、基本的には最先端のプロセスの製品を大量生産しないと儲からない産業です。どこでも出来る中途半端なプロセスと少量生産の半導体は、コスト高の問題に直面したり、コスト競争に巻き込まれたりしてしまうからです。

政府は台湾のＴＳＭＣを誘致するようですが、仮にたった今最先端のＴＳＭＣの工場が日本で稼働できたとしても、台湾人並みの給料（日本の半分以下）で働かないと会社はコスト面で立ち行かないでしょう。

また、次世代のデバイス（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、それがうまく行ったとしてもその次はどうなるでしょうか。また、多額の特許使用料を支払わされるのではないでしょうか。

つまり、自力で開発する癖を付けないと技術は自分のものにならないでしょうし、儲かる産業にならないでしょう。１９７０～８０年代には、米国の技術をマネ（言い方は悪いが正確には盗んだ）て、そこから自国で開発できましたが、米国も同じ手には乗らないでしょう。

新年に当たり一言。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？に対する定性的考察

ソーラーパネルは、CO₂を出さないで発電出来るが、製造時に電力を使っているので、本当はエコでないと言う意見があります。本当にそうでしょうか？

半導体の製造工程は、国や会社で分かれていて

• 掘削した硅石から金属シリコンを製造
• 金属シリコンから高純度多結晶シリコンを製造
• 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）

になります。

硅石（SiO₂）から金属シリコンを製造する際に埋込電極付きアーク炉を使います。この時、莫大な電力を使います。しかし、金属シリコンの生産地の多くは、水力発電で安価な電力が得られるノルウェー等の国々で、CO₂を発生させません。ただし、最近、中国は自国の安価な露天掘りの石炭を使った火力発電で大量のCO₂を発生させて製造しています。中国の生産量が多くなっているので要注意ですが、中国自体も大気汚染の問題などから自然エネルギーの割合を増やして来ています。

金属シリコンの純度は98％で不十分なので、粉砕後、高温の無水塩化水素ガスを吹き付けて、３塩化シランを生成します。この３塩化シランをガスの状態で蒸留して、高純度多結晶シリコンを製造します。（純度11N：イレブンナイン、99.999...9％で9が11個並ぶ純度）

この高純度多結晶シリコンを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）で単結晶シリコンインゴット（巨大な大根のような形をした単結晶）を作製します。CZ 法は、結晶引き上げと呼ばれており、大口径化に向き、LSI製造に使われ、FZ法は、更に高純度な単結晶が得られ、高耐圧半導体デバイスに使われます。

単結晶シリコンインゴットを、円柱状に形を整えた後、ワイヤーソーや内周刃ブレードで薄いセンベイのような形のシリコンウェハにスライス加工します。このウェハの表面を鏡面仕上げした後、通常は、シリコンエピタキシャル成長で薄膜シリコン単結晶層を表面につけて、ウェハメーカーがLSI製造会社に納入します。ウェハの大きさは、最先端の工場で直径300㎜です。大きいほどプロセスの効率が良くなります

この先は、半導体メーカーの工程になります。

太陽電池（ソーラーパネル）用のシリコン材は、LSI用ほどの高純度シリコンは不要です（5N：ファイブナイン程度で十分）。主にLSI製造時に出た廃シリコンウェハ（プロセスモニター用や割れてしまった物など）を加えたシリコン材を再溶融して固めてから、スライスして使います（多結晶シリコン太陽電池の場合）。多結晶シリコン太陽電池は、単結晶シリコン太陽電池より安価ですが、効率が少し下がります。現在は、単結晶、多結晶シリコン太陽電池は同じくらい使われています。（単結晶シリコン太陽電池については、別の機会に述べます）もちろん、太陽電池製造にも簡単な半導体プロセスがあります。

要するに、太陽電池は、主に水力発電と廃材のシリコン材を混ぜたシリコンから作られるので元々エコなものになります。

基本的には、シリコン結晶は、太陽光の放射線成分くらいでしか劣化しないので、寿命はほぼ無限になります。しかし、雨水や湿度、昼夜の温度変化での電極の劣化や保護ガラスの透明度の低下により、徐々に出力が低下します。しかし、10～20％のエネルギー変換効率で約20年以上発電し続けます。

植物の光合成の光エネルギー変換効率はたった1％なのに対し、太陽電池はとても高効率です。石炭は、元々植物だった物質の化石燃料なので総合的エネルギー変換効率について、その差は歴然です。

LSIや太陽電池の製造時にも電力は必要です。特に、酸化・拡散炉は、大きな電力を必要とします。しかし、それは他の製造業も同じです。

このように半導体太陽電池（ソーラーパネル）は、製造時に大量のCO₂を発生させていると主張するのは、原子力発電推進派のデマとも考えられます。

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と園児置き去り事件

前回、ブログで園児置き去り事件について書いたので、他の対策についても述べます。

ハインリッヒの法則とは、 １件の重大な事故・災害の裏には、29件の軽微な事故・災害、そして 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）があるとされる法則です。

法則名はこの法則を導き出したハーバート・ウィリアム・ハインリッヒ（Herbert William Heinrich、 1886年－1962年）に由来しています。この法則は、彼がアメリカの損害保険会社にて技術・調査部の副部長をしているとき発表した論文に示めされています。この法則は5000件以上の事例研究により確認されています。

重大事故の防止のためには、事故や災害の発生が予測されたヒヤリ・ハットの段階で対処 していくことが必要とされています。

通園バス園児置き去りの事故においても同様なヒヤリ・ハットが統計上必ず起こっていた筈です。ヒヤリ・ハット活動とは、このヒヤリ・ハット事例を関係者で共有し、どうしてそれが起こったのか、どう対策すれば良いか話し合い、そして対策する活動を言います。この方法で、重大事故の発生を劇的に削減出来ます。

実際、様々な会社や工場で行われている安全対策の基本です。先ずは、このヒヤリ・ハット活動を全国の幼稚園や保育園で始めることが必要と思います。

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

今日、国会中継で通園バス園児置き去り対策の質問を政治家がしているのを見て気になることが有りました。

国は、どうもカメラを使って自動監視する安全装置に頼るような対策をメインに考えているようです。

通常、工場、現場で、どうしても間違えてはいけない場合や高度の安全性が必要な場合は、指差し呼称を行います。

有名なのは、鉄道の駅員や運転士の指差し呼称です。ヒューマンエラーは、避けられないものかも知れませんが、先ずは、この指差し呼称を行い、ヒューマンエラーを極限まで減らします。人は、間違いを犯しますが、修正能力があるので、安全を確保する際は、必ず人が最終確認を行います。

安全装置をつければ、それでＯＫというものではありません。常に機械の性能の限界や信頼性を考えてやらなければなりません。これは、今、日本が、陥っている短絡的思考を象徴しているように思えてなりません。

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は台湾の世界最先端の半導体ファンドリーメーカーとして有名です。実は、私が会社員だった時、講演会に会社に来てもらったことがあります。

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印象です。その時は、後工程の外注依頼の件もあり、後工程の話が中心だったのですが、ワイヤボンドのボールの下の層を上から順次ウェットエッチング（化学薬品で選択的に溶かすこと）で剥がして、ボンディング時のダメージの評価をしている話もされました。

真面目な日本人でさえも、そこまでコツコツとはやらないと思えることをひたすら追求していることが、今のＴＳＭＣの発展に繋がっていると感じました。

特に独創的な技術開発や革新的な技術開発が必ずしも世界ナンバーワンになるのに必要ではないと思いました。多分、日本の半導体が世界一だった時も同じだったのでしょう。

整理番号0016　　２０２２年１０月１２日（水）（２）

半導体プロセスに必要な超確実性

半導体プロセスでは、２０枚程度のマスク（レチクル）を使って各工程を処理して行きます。それぞれの工程は、大雑把には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等の処理、⑦レジスト剥離の７ステップから成り立っています。そのため、全ステップは７ステップ×２０工程＝１４０ステップになります。

●この時、すべてオペレーターと装置が９９％の信頼性で働いたらどうなるでしょうか？

０．９９^１４０＝０．２４で２４％のウェハしか完成しないでしょう。

●では、９９．９％ではどうでしょうか？

０．９９９^１４０＝０．８７で８７％しか完成しません。

●更に、９９．９９％では、

０．９９９９^１４０＝０．９９でやっと９９％完成します。

つまり、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ことになります。レシピ通りにひたすら確実に処理することが重要です。

これも、独創性は必要ありませんが、半導体プロセスに必要な独特な資質と能力です。

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

地球温暖化対策の脱炭素化のために原子力発電所の再開が検討されています。原子力発電所は、冷却システムの電源喪失時の暴走、爆発の他にもっと危険なことがあります。それは、高レベル放射性廃棄物の保管で、安全なレベルになるまで、１０万年隔離して、保管する必要があることです。

クロマニョン人が誕生してから４万年、最古の文明メソポタミア文明の成立が６０００年前と言われているので、高レベル放射性廃棄物の記録を引き継ぐのは、困難と思います。また、地殻変動や、海岸線の変動により、保管した場所も特定出来なくなるでしょう。

日本は、火山大国なので、地熱エネルギーが豊富で原子力発電を代替する潜在的なエネルギー量があります。また、一度地熱発電所を建設してしまえば、燃料費は０円です。

地球温暖化の問題は、せいぜいここ数１００年程度の期間の問題ですが、原子力発電の負の遺産は、１０万年スケールのものになります。どうして、原子力発電を推進するのか、何故、地熱発電を使わないのか全く分かりません。

整理番号0013　　２０２２年１０月１日（土）（２）

量子コンピュータ

量子コンピュータが話題になっていて、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奮っていました。

しかし、量子コンピュータは、汎用のコンピュータではなく、今のところ特定の暗号解読に有効なアルゴリズム等の幾つかの用途があるだけです。

結局、コンピュータは、今のパイプライン方式が主役で、AIのニューラルネットや量子コンピュータも通常のコンピュータの演算ユニットの１つになるだけと思います。

そこで私は、コンピュータアーキテクチャの学習が重要と考え、講義を受けています。

整理番号0012　　２０２２年９月３０日（金）

電気自動車のメリット（今日は日頃間考えている５つを順次書きます）

（一部修正しました2022年10月17日）

この前テレビで、経済学者が、電気自動車はCO₂を出さなくても、発電時にCO₂を出しているので、通常のエンジン車と環境問題に関する効果は変わらないと言っていました。これは、物事を定量的に見ていないことで生じる誤りであると思います。

最新の火力発電所のコンバインドサイクルの発電効率は、約60％、送電効率96％、電気モーターの効率は90％なので、電気自動車の効率は約50％になります。一方、ガソリンエンジンの効率は約20％、ディーゼルエンジンの効率は30％程度です。

また、電気自動車は１円分の電気で１km走ると言われています。ガソリン１リットル170円くらいの今、ハイブリット車で燃費の良いアクアで１リットル当たり17km走ります。これを計算すると電気自動車の方が、アクアより10倍燃費が良いことになります。

電気自動車の航続距離が伸びてきているので、充電スタンドも、長距離運転する際、自宅とホテルなどの宿泊施設に有れば十分です。私は、自動車を使った旅行で１日せいぜい400km位しか走らないので、エアコン、ヘッドライトをフルに使って500km走ってくれれば、夜寝ている間にフル充電してくれるので十分です。充電器も、トランスと整流器、制御回路で簡単に安く出来るので問題ありません。

整理番号0011　　２０２２年９月３０日（金）（２）

スペースXの危険性

LSI等のデバイスは、機能テスト、構成素子の耐久テスト、LSI自体の耐久テストにより信頼性を保証しています。これは、LSIが所定の機能を初期には果たすが、潜在的な故障が顕在化して故障する期間（初期故障期間）、その後の使用で設計値を上回るストレスにより、偶発的に故障が起こる期間（偶発故障期間）、また長期間の使用により機器が寿命に来て故障する期間（摩耗故障期間）を把握します。この現象は、信頼性を評価する上でバスタブカーブとして有名です。

しかし、詳しいことは分かりませんが、スペースXでは、どんどん試作と失敗を繰り返しながら、迅速な開発を目指しているようです。これは、単に初期不良の除去をしていないのはおろか、初期機能テストをしているだけに見えます。これでは潜在的な不良を見つけることが出来ないのです。信頼性が担保されないことになります。

LSI開発では、マスク１セット20枚で2000万円、試作期間約半年と費用と時間がかかるので、徹底的に機能設計と信頼性設計・確認を行っています。

それでも、開発時に予期せぬ現象に見舞われ大騒ぎします。ロケットのような人命を預かるシステムでスペースXは、信頼性の設計、作り込み、評価が弱すぎるように見えてなりません。

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時、あるエンジニアと大学の先生が長く議論していたのですが、ワイヤレス給電の問題も電気回路学や電気回路網学を学んでいれば簡単に解決出来ます。ワイヤレス給電は、電気自動車に応用する研究があったり、既にスマートホンの充電に使われたりしています。

給電元の自己インダクタンスをL1、給電先の自己インダクタンスをL2、相互インダクタンスをMとすれば、疎結合トランスの等価回路になります。これは、直ぐに、T型の等価回路に変形でき、回路的に簡単に解析できます。L1、L2、Mは物理的・幾何学的な形状から計算または傾向を解析的に推定できるので、簡単に設計できます。

これは、物理的（電磁気学的）イメージと回路的イメージの関係、もっと言えば抽象化の度合いの違いを使いこなすことになります。

やはり、最近の大学教育は、基礎学科が疎かになっているのでしょうか？

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、ある技師が経験的に発明し使っていましたが、理論的根拠が曖昧で邪道であると思われてきました。後に、数学者が理論的な裏付けを行い、一般化しました。

また、私は、学生の時、オームがオームの法則を発見した時のノートの写真を見て衝撃を受けました。多くの測定値と計算式で一杯でした。今は、誰もが当たり前のように使うオームの法則の発見にこれ程もの洞察力と努力が必要だったということにビックリしました。

我々、エンジニアは先人たちの偉業に供していることに感謝しないといけないと思いました。（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

学生の時、量子力学で、電子が薄いポテンシャルの障壁を通過するときの波形を手計算で計算しました。電子の波動が障壁内でエクスポネンシャル状に減衰し、端から振幅の小さな正弦波が出てきました。

これは、トンネル効果として有名で、現在の微細MOSトランジスタのゲートリークの本質的原因となっています。

手計算での印象がとても強く頭に残っていて、時間に余裕があれば手計算の経験も役に立つと思いました。

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、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で電磁気学、電気回路学、電子材料物性工学等の理解が足りないと、ノイズ等を含む様々な問題に遭遇し、システムが不安定になる場合があります。

電磁気学は、あらゆる電磁気的問題を解決するのに有効ですが、大学講義のベクトル解析でつまずく学生が多く、使いこなせていない場合があり残念です。

代わりにコンピューターシミュレーションを使うことは良いことなのですが、解析的な観点を見失うと、直感的な見通しが立てづらくなり、モデル入力のみに多大な時間を費やしてしまう傾向があります。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。