半導体進化の過去・現在・未来：業界コンサルタントCarl White氏へのQ&A
半導体製造の過去、現在、未来：業界コンサルタントCarl White氏へのQ&A
1965年にインテル共同創業者のGordon E. Moore氏によって提唱されたムーアの法則は、集積回路（マイクロチップ）上のトランジスタ数が2年ごとに倍増し、コンピューティングコストが最大半分に削減されることを予測し、コンピューティングパワーの指数関数的成長を示唆しました。半導体業界はこのパラダイムに追いつくために懸命に努力してきましたが、競合他社が同じ目標を目指し、消費者の技術進歩への需要が常にある中で、より少ないスペースにより多くの処理能力を常に提供し続けることは容易ではありません。
ムーアの法則のおかげで、「速さが必要だ、スピードが必要だ！」という言葉は、『トップガン』の懐かしいセリフというより、半導体業界の日常を表す言葉のように感じられます。これは、半導体業界のサプライチェーン全体でほぼ40年間働いてきた業界ベテラン、C.L. White Engineering Services, LLCのプリンシパルエンジニアリングコンサルタント、Carl White氏との最近の会話から得られた多くの重要な示唆の1つです。開発と処理能力の両面での絶え間ないスピードへの要求について、彼が何を語ったか、過去にムーアの法則に追いつくために必要だったイノベーション、現在半導体業界が直面している課題、近い将来に期待できることについて、読み進めてください。
Swagelok Reference Point (SRP)： ご参加ありがとうございます、Carlさん。まずご自身のバックグラウンドについて教えていただけますか？
Carl White： 私はアリゾナ州の出身で、アリゾナ州立大学で産業技術管理と機械工学を学び、1982年に半導体プロセスツールOEMのASMでキャリアをスタートしました。その後、当時モトローラ傘下だったSpectrum CVD、 eventualy Sonyの一部となったMaterials Research Corporation、東京エレクトロン（TEL）、そしてアプライドマテリアルズで働きました。38年のうち28年をOEM分野で、残り10年をチップメーカー（モトローラ半導体製品グループ）で過ごしました。昨年、ALD（原子層堆積）技術に過去15年間取り組んだASMを退職しました。現在は業界企業のコンサルティングを行っています。
SRP： ツールOEM側とチップ製造側の両方で広く働かれてきた興味深い視点をお持ちのようです。このキャリアを歩まれた原動力は何でしたか？
CW： 非常にペースの速い業界です。技術は常に変化しており、私たちがこの分野で働く上で創造性と継続的な学習が必要でした。退屈する暇などありませんでした！また、半導体技術はほぼすべての他業界で重要であるため、自分が携わった設計が変化を促すのを見るのはエキサイティングでした。
SRP： 半導体業界の進化を牽引してきたメタトレンドには何がありますか？
CW： 初期は宇宙開発計画でした。その後、コンシューマーテクノロジーです。計算尺から携帯用計算機、パーソナルコンピューター、スマートフォンへと移り変わり、それは半導体技術の進化によって可能になりました。現在、AIと自動運転車が変化を牽引しています。変わらないのは、製品をより速く生産し、情報をより速く伝達する必要があるという点です。より多くのコンピューティングパワーへの需要に応えるため、新しい半導体技術が常に必要とされています。
また、半導体イノベーションにおけるリーダーシップを巡る競争からくる駆動力もあります。これは企業間の競争だけでなく、グローバルなスケールで起こるものです。時代とともに、異なる国々が半導体技術の開発をリードしてきました。こうしたダイナミックな変化が、業界レベルでのより大きな協力につながることもあります。例えば、1987年に米国の14社の半導体企業が米国政府とともにSEMATECH（チップ製造コンソーシアム）を結成し、グローバルマーケットでより良く競争できるようチップ品質の向上を図りました。それが米国の半導体業界の進歩を加速させました。当時、多くの企業が設計、製造、チップ技術の販売まで全てをやろうとしていました。専門化することを学び、他社のためにチップを製造するファウンドリが生まれ、業界の前進を合理化することにもなりました。
SRP： チップ密度と半導体技術の進化、それが支えたエレクトロニクスの関係を説明できますか？それがチップ製造に必要な装置とコンポーネントにどのように影響したか？
CW： 小型化はムーアの法則に追いつくための恒常的な必要性です。チップにより多くのトランジスタを載せるには、それらをより小さくする必要があります。また、製造プロセスの進歩に合わせて装置を調整する必要もあります。大きな転換点は、1990年代後半から2000年代初頭にかけて、業界がチップの基盤として200mmから300mmのシリコンウェハーに移行したことです。これには大規模な製造とツールの変更が必要でした。45nmトランジスタ用の高誘電率（ハイK）ゲートの開発により、電子漏れを減らせたことは、業界の小型化追求におけるもう一つの大きなステップでした。インテルがこれらを製造するために使用した装置の開発に携わる幸運があり、その変化を目の当たりにできました。現在、視点を変えると、企業は5nmチップ生産に取り組んでいます。
一般的に、企業がより小さなプロセスノード（半導体技術のフィーチャーサイズを小さく製造し、より小さく、速く、電力効率の良いトランジスタを作ること）へ移行しようとするサイクルは、18ヶ月ごとという速さで見られます。これはムーアの法則の予測（2年ごとのプロセスノード移行）を上回ります。なぜなら、競合他社がそうしているからです。
半導体ファブは、チップ性能で何を達成したいか、そのためにどのような製造プロセスが必要になりそうかをツールOEMに伝えます。OEMはその性能を実現できる製造装置を開発し、その過程でSwagelokのような企業と協力して、既存コンポーネントの調達や新しいコンポーネントの共同エンジニアリングを行い、ツールを実現させます。この協力は、半導体企業がイノベーションのスピードに追いつくために不可欠です。OEMが今日必要なコンポーネントを入手できるよう支援し、コンポーネントメーカーが業界の将来ニーズを予測するのを助けるからです。
SRP： 特定のエレクトロニクスアプリケーションへの市場需要が半導体イノベーションを牽引するのか、それともチップ技術の進歩が通常市場需要を先取りするのか？
CW： どちらもあり得ます。時には、半導体技術を常に進化させる一般的なプレッシャーが、市場がその技術で何をすべきか知る前にブレークスルーをもたらすことがあります。例えば1990年代には、コンピューティング能力が急速に進歩していましたが、チップ技術の全能力を活用するために必要なソフトウェアの知識とスキルが不足していたため、アプリケーションが処理能力に追いついていませんでした。しかし他方では、既存のアプリケーションをより強力にするプレッシャーがある場合もあります。現在、より多くのデータ処理とAIアプリケーションを可能にする必要性でそれが見られます。
根本的に、3つの需要の時代を見てきました。1960年代から1980年代までは、コンピューターと計算機器の実現がすべてでした。当時チップには数千個のトランジスタがありました。1980年代からは、ノートPCや携帯電話などのモバイル技術の実現へ重点が移りました。この頃にはチップに数百万個のトランジスタがありました。過去10年間では、データ転送とストレージが需要を牽引しています。IoTやスマートデバイスによる24時間365日のソーシャルインタラクションでテクノロジーがより接続されるようになり（モノのインターネットの台頭）、ビッグデータや機械学習といったトレンドがデータ中心の需要を生み出しているためです。
SRP： より小さく、より強力なチップへの継続的な需要が、半導体製造で使用される流体システムコンポーネントの性能要件にどのように影響してきましたか？
CW： 時間の経過とともに半導体チップの形状が変化したことで、チップ製造プロセスで使用される流体システム製品のニーズが変わりました。特にトランジスタが小さくなるにつれて、処理での汚染を避けることが極めて重要になります。これは歩留まりとチップ信頼性に影響するためです。非制御プロセスとコンポーネント汚染は避けなければなりません。その結果、業界はベローズバルブ（高いサイクル寿命）からダイヤフラムバルブ（歴史的により清浄）へ移行しました。ダイヤフラムバルブは「デッドスペース」と封入ガス体積が少なく、可動部品も少ないためです。
最近、Swagelok® ALD20バルブがリリースされたことで、ベローズバルブ由来の高流量容量を備えつつ、現代の半導体製造に必要な超高純度（UHP）性能を提供するメリットが見られています。これは、製造技術が長年にわたり向上したことと、高品質VIM-VAR鋼や耐食性合金などの優れた材料へのアクセスが可能になったことによるものです。また、電解研磨やパシベーションなどのより良い仕上げ技術、製品発売前のより良いテストも採用されています。過去には、技術を最初に市場投入しようと急ぐあまり、コンポーネントを十分に検証しない企業を見てきましたが、それが問題を引き起こしました。半導体分野では、製品が箱から出してすぐに約束通りに機能し、一貫性があり再現性のある性能を発揮するコンポーネントを信頼できることが重要です。
SRP： 以前の質問と同様に、常にバルブ技術の変化が新しいチップ製造プロセスを可能にしてきたのか、それとも半導体製造の進歩が流体システムのイノベーションを牽引してきたのか？
CW： 半導体製造プロセスの変化が、UHPバルブやその他の流体システムコンポーネントに求められるものを定義する上で、確実に役割を果たしてきました。マイクロチップを製造する際、通常は結晶ウェハー（シリコンなど）を、前駆体ガスを堆積室に精密な順序で投与し、ウェハーを均一にコーティングしてから固化させることでコーティングします。液体および固体の前駆体化学物質を、高温と慎重に制御されたプロセスで昇華させ、UHPバルブでウェハーに投与することが増えています。これらの化学物質はしばしば不安定で、攻撃的で腐食性の特性を持ち、効果的に扱うのが困難です。
化学気相成長（CVD）とそれに使用されていた前駆体では、現在見られる小さなトランジスタサイズでのチップ製造を十分に制御できなくなったため、原子層堆積（ALD）と原子層エッチング（ALE）プロセスを頻繁に利用しています。プロセスと化学のこうした変化（例えば、1990年代にアルミニウムから銅インターコネクトへ移行したのは、より高い導電性のため）が、コンポーネントの変更を必要としました。
初期には、ツールOEMは、チップ歩留まりの低下がしばしば装置の故障ではなくプロセス問題によって引き起こされることに気づきました。水分、反応性化学物質の大気暴露、バルブ内での粒子残留によるシール不良など、業界が直面した課題はすべてプロセス関連でした。プロセス課題を制御するよう進化の中で学び、しばしば高度な流体システムコンポーネントとシステム設計を通じて対処してきました。これは結果に好影響を与えましたが、チップ製造プロセスとイネーブリングコンポーネントの性能要件にも影響を与えました。
SRP： それが半導体製造進化の歴史的な絵柄だとしたら、今日業界が直面している課題は何で、それが流体システムコンポーネント要件にどう影響していますか？
CW： チップ製造の次の段階に到達するには、信頼性の高い製品制御、再現性、バルブ製造の一貫性が必要です。半導体ツールには多数のUHPバルブが必要ですが、バルブごとに完全に均一な性能を得るのは難しく、しかしその製造一貫性が必要です。高品質な製品であるだけでなく、バルブからバルブへ同じ品質であることが求められます。
また、温度変化も重要です。より高い温度と流量での性能一貫性が必要です。現在、3D NANDチップ製造への注力が高まっており、トランジスタが積層されることでチップのより深い凹みにより多くの材料が層状に積まれるため、これらの場所を効果的にコーティングするためにより多くの前駆体媒体をウェハーに投与する必要があります（おそらく200倍のガス量）。許容公差がますます厳しくなり、変動の許容範囲が狭まっています。
「チップ製造の次の段階に到達するには、信頼性の高い製品制御、再現性、バルブ製造の一貫性が必要です。」
SRP： 精密な投与、温度安定性、流量容量以外に、ムーアの法則に追いつき続けるためにUHPバルブに業界が求めるものは何ですか？
CW： 清浄度と耐食性にも焦点を当て続ける必要があります。材料科学がここでは重要です。例えば、ALD20バルベはベローズにAlloy 22（Hastelloy® C22）を使用しています。これは高腐食性ケミストリーに耐えられる材料だからです。しかし、これほど優れていても、すべてのプロセスで理想的というわけではありません。ジオメトリが小さくなり、前駆体化学物質がより攻撃的になるにつれて、異なるケミストリーを扱うために特殊コーティングが必要になるかもしれません。こうしたコーティングの開発は困難で高コストですが、プロセスでの腐食許容度はますます低くなっています。
だからこそ、流体システムソリューションプロバイダーがOEMと半導体メーカーの双方と密接に協力して新製品を開発することが鍵となります。協力は、Swagelokが最初のALDバルブを数十年前に導入したときにも重要でしたし、今なおそれ以上に重要です。時にはツールOEMと協力することを意味しますが、ツールへの要求はチップファブによって駆動されるため、時にはファブと直接協力する必要もあります。関係企業の開発サイクルに基づいて、共に問題解決し、何が理にかなっているかを導き出すことです。しかし、この協力が明日のテクノロジーを可能にするのです。
SRP： キャリア中のサプライヤーとの協力はどのようなものでしたか？個人的にどのように経験されましたか？
CW： キャリア初期、ASMにいたとき、SwagelokとSwagelok® DHシリーズUHPダイヤフラムバルブの開発で協力しました。真空中で220℃で動作し、当時市場に出ていたものより小型で、ALDツールの小さなスペースに多くのバルブを収めてより良い性能を得る必要がありました。Swagelok SouthwestとSwagelokのコーポレートエンジニアリング部門と協力してオプションをテストし、最終的に優れたソリューションに到達しました。結果は、デュアルピストン設計のダイヤフラムバルブ、真空室での汚染を防ぐ新しい潤滑剤、1000万サイクル以上持続する極限温度耐性を備えたものでした。
Swagelokチームがプロセス全体を通じてテストプロトコルとデータを透明性を持って共有してくれたことも助けになりました。これは他のメーカーでは必ずしも当てはまりません。また、協力の取り組みでは常にそうであるように、人が違いを生みます。仕事を楽しめる人と仕事をしたいものです。このプロジェクトで一緒に仕事をしたチームは最高でした。半導体業界でのキャリアでは、顧客とウィンウィンの関係を望むビジネスコンタクトを常に探してきました。「私たちが勝つ」だけではない関係です。両方のタイプの企業が存在するため、常に慎重に選んできました。
SRP： 半導体業界のこれからは？克服すべき課題は何か、近い将来に何が期待できますか？
CW： 業界の課題の1つは、スケーリングニーズに追いつくことです。現在7nmや5nmのプロセスノードにありますが、ここからどこへ向かうのでしょうか？技術をさらに小型化し続けるための材料と製造能力は存在するのでしょうか？3D NAND積層は一つの解決策です。半導体を互いに積層し、従来より3倍のトランジスタを同じ面積に詰め込むことができます。選択的堆積イネーブリング技術など、ウェハー全面をコーティングするのではなく、ウェハー上の望む場所にのみ堆積できる新技術が開発されています。
材料も変わりつつあります。業界はウェハーの基板としてシリコンではなく炭化ケイ素を検討しています。シリコンは入手しやすく安価なので広く採用されましたが、微小サイズでトランジスタに電力を供給するために異なる材料が必要になるにつれ、ゲルマニウムなどが再び使用される可能性があります。他の高速で有望な材料も長年にわたり調査されてきましたが、製造プロセスやチップ要件が、これらの高価な特殊材料を経済的に実行可能にしていませんでした。今、それらが必要になるかもしれません。
ウェハー材料だけでなく、プロセスも変える必要があります。何を堆積させるか、どうエッチングするか、などです。極端紫外線リソグラフィ（EUV）のような新しい手法が採用されていますが、5〜3nmより小さなトランジスタに向けて作業を始めると、それもそれほど長くは機能しないかもしれません。小さくなるほどコストは指数関数的に高くなるため、ムーアの法則に追いつこうとするのは一部の専門プロバイダーだけになり、他の企業はコストが高すぎて参入できなくなるかもしれません。
SRP： 貴重な視点をありがとうございます、Carlさん。あなたが過去に担ってきたような役割を担う半導体プロフェッショナルへ、最後のアドバイスはありますか？
CW： 一つ確実なのは、それがどう起こるか常に見えるわけではないとしても、進歩は続きます。確実に頼れるのは、望むところへ行くために強力な関係と協力が必要だということです。
専門的なニーズがあるとき、それを解決するために棚から製品を買うだけでは済まないことがあります。時にはパートナーと協力して次世代ソリューションを開発する必要があります。そのとき、エンジニアリング能力と協力的なマインドセットを持ち、あなたを望むところへ導いてくれる企業を探してください。あなたのニーズを聞き、できないことを約束せず、あなたを喜ばせるためだけに品質を犠牲にしない協力者が必要です。速く動くとき、多くの企業でそのリスクがあります。誰を信頼できるかを学んでください。関係構築が、結果を構築するためにできる最善のことです。
「…エンジニアリング能力と協力的なマインドセットを持って、あなたを望むところへ導いてくれる企業を探してください。あなたのニーズを聞き入れてくれる協力者が必要です…」
SRP： ありがとう、Carl！今日、あなたの知識を共有してくれて感謝します。
CW： どういたしまして。お役に立てて嬉しいです。
産業技術