半導体について　〜設計から製造までのプロセス〜

どうも、おらうです！
今回は半導体の製造プロセス(設計から製造まで)について、簡単にまとめてみました。
＊本記事は全て無料でお読みいただけますので、ご安心ください☺️

その背景として、現在話題のChat GPTに代表される生成AIによるAI半導体が世界で注目を浴びているからです。
事実、AI関連で業績を伸ばしている半導体メーカーのNVIDIAの直近決算の売上高成長率は驚異の265.3%(2024年4Q 前年同期比)でした😅
またスマートフォン需要の回復の見込みなど、2024年は底打ちから回復に向かってるいると言えます。

そんな再注目を集める半導体について、
また、おらう自身も、
「半導体って言葉は知っているけど、改めて詳しく知っているのかと言われると。。。」
だったので、
今回は半導体の製造プロセス(設計から製造まで)についてまとめてみました。

この記事は以下の方におすすめです。
・半導体に興味あるけど、中々深掘りが出来ていない方。
・ある程度知ってるけど、簡単におさらいしたい方。

そもそも半導体とは

半導体は、電気をよく通す「導体」と電気をほとんど通さない「絶縁体」の中間の性質を持つ材料で、日常生活で使われている電子機器の心臓部になっています。

半導体のイメージ

機能

半導体の機能として以下が例として挙げられます。

①電気のオンオフスイッチ:
半導体は、電気が流れるか流れないかを制御できる特別なスイッチのようなもので、これにより電子機器が正しく動作するために必要な信号をオンにしたりオフにしたりする事ができます。

②声やデータを大きくする:
たとえば、友達と携帯電話で話しているとき、あなたの声は電気信号に変わって携帯電話を通っています。
半導体はこの電気信号を「大きく」して、遠くの友達にもクリアに聞こえるようにしています。

③情報を処理する: 
コンピューターやゲーム機などで情報処理を行います。
この情報処理が行われることで、インターネットをブラウズしたり、動画を見たり、ゲームをしたりすることができます。

主に使われている業界

①コンピューターと情報技術
スマートフォンやパソコンのようなデバイスが動くのは、内部にある「脳」のようなもの、つまり半導体チップのおかげです。
インターネットを使ったり、ゲームをしたり、ネットで検索したりすることができるのは、これらのチップがあるからです。
半導体は、情報を処理し、インターネット上で動画を見ることや、友達とメッセージを交換することを可能にします。

②通信
携帯電話やWi-Fiなどを使って、遠く離れた人とも話したり、メッセージを送ったりできるのは、通信技術のおかげです。
この通信技術の心臓部にも、半導体が使われています。
 半導体がなければ、スマートフォンで友達と連絡を取ることや、好きな音楽をオンラインで聴くことができません。

③自動車
車にはたくさんの電子機器が使われています。
例えば、車の速度を表示するダッシュボード、自動で距離を保ってくれるクルーズコントロール、または事故を避けるために自動でブレーキをかけてくれる安全システムなど、これらすべてに半導体チップが使われています。
半導体は車に使われることで、運転が楽になり、より安全になることに役立っています。
また、エンターテインメントシステムで音楽を聴いたり、ナビゲーションを使って目的地まで案内してもらうことも、これらのチップのおかげです。

半導体は、私たちの生活を豊かにし、安全にし、便利にするために、多くの業界で使われています。
日常生活で使うさまざまなデバイスやサービスが、この半導体によって支えられています。

もしも半導体が無くなったら

先ほどの事例3つで見てみましょう。

①コンピューターと情報技術
スマートフォンやパソコンが使えなくなり、インターネットを閲覧すること、ソーシャルメディアを使うこと、オンラインゲームができなくなります。
また調べるためにGoogleを使ったり、YouTubeで動画を見たりすることもできません。

②通信
携帯電話やインターネット通信が利用できなくなり、友達や家族と連絡を取る手段が大幅に限られ、遠く離れた人とのコミュニケーションが困難になります。
緊急時に救助を要請する手段も限られ、災害時の情報共有や、公共の安全に関わる通信が滞り、社会の基盤が揺らぎます。

③自動車
現代の自動車は、エンジン管理、安全システム、ナビゲーションなど、多くの機能が半導体に依存しており、これらが使えなくなると、車は単なる移動手段以上の価値を失い、安全性も大幅に低下します。
自動車産業は大きな経済セクターで、半導体がなければ、生産が停止し、多くの人が仕事を失い、経済全体に悪影響が及んでしまいます。

半導体がなくなるということは、文字通り現代社会が機能停止することを意味し、学校、仕事、家庭生活、そして社会の安全性や経済活動が根本から変わってしまいます。
私たちが日常的に依存しているテクノロジーが使用不能になることで、生活の質が大きく下がり、コミュニケーション、教育、仕事、そしてエンターテイメントの方法を根本から見直す必要が出てきてしまいます。
半導体は、現代の生活を支える非常に重要な基盤技術であると言えます。

そんな重要な半導体ですが、その製造プログラムを振り返れえればと思います。

半導体が出来るまでのプロセス

1. 設計

コンセプト定義: 半導体製品の要求仕様を定義。
回路設計: 半導体の機能を果たすための電子回路の設計。
論理設計: 回路設計を基に、論理ゲートの配置などを決定する。
物理設計: 論理設計を基に、実際のチップ上でのトランジスタや配線の配置（レイアウト）を行う。

2. シミュレーション

機能検証: 設計した回路が仕様通りに動作するかの検証。
タイミング分析: 電子信号の伝達時間を分析し、設計を最適化。

3. プロトタイピング

テストチップ製造: 設計の正確さを確認するために、テスト用のチップを製造。

4. 製造前準備

マスク作成: 物理設計のデータを基に、製造用のマスク（版）を作成。

5. ウェハー製造

純粋なシリコンからウェハーを作る（インゴット作成、スライス、研磨など）。

6. ウェハー加工

光リソグラフィ: マスクを使用してウェハー上に回路模様を転写する。
エッチング: 回路模様に沿って不要な部分を除去する。
ドーピング(イオン注入): 電気的性質を変えるために、特定の場所に不純物を注入する。
メタライゼーション: 電気を通すための金属配線を形成する。

7. アッセンブリ・パッケージング

ダイジング(チップの切り出し): 製造されたウェハーから個々のチップを切り出す。
パッケージング: チップを保護するためのパッケージに封入する。

 8. テスト

電気的テスト: チップが正しく機能するかを確認する。
品質検査: 最終製品の品質を検査する。

9. 量産

確認された設計とプロセスに基づいて、製品を大量生産する。

最後に

一般的に5.ウェハー製造から6.ウェハー加工までのプロセスを前工程と呼び、
7.アッセンブリ・パッケージングから8.テストまでのプロセスを後工程と呼ばれます。

いかがだったでしょうか？
少しでも理解が深まれば幸いです☺️

次回から、各工程をそれぞれ深堀っていければと思います。

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