日本の半導体：ミニウエハー工場（第2部）

「ミニウエハーファブ」が日本を再びピークに導く？

日本は現在、2ナノメートルの半導体工場を建設し、TSMCと提携して日本に工場を建設しているが、多くの人はこれが効果的な戦略とは考えていない。日本の半導体産業は、設備や材料の強みを最大限に活かして完成品（半導体）の開発を実現します。この大きな課題を遂行できる力は「ミニウェーハファブ」から生まれます。

一般に、半導体の製造には巨額の投資が必要であると考えられています。一方で、台湾積体電路製造会社（TSMC）やその他の企業の半導体ファウンドリ事業が業界で急速に発展している。一方で、需要が増大し続けるため、半導体の納期はますます長くなっています。半導体業界における納期の長さや応答速度の遅さを解決するため、産業技術総合研究所（産総研）では2008年から「ミニウェーハファブ」の開発に取り組んでいます。「ミニウェーハファブ」の特徴は、少量多品種の半導体を生産し、半導体製造業界に新たなトレンドをもたらします。

ミニウェーハファブは従来、試作のみに利用されてきたが、早期に量産に適用するため、産総研の研究者らは2022年XNUMX月に「ハンドレッドセミコンダクターズカンパニー」（所在地：千葉県柏市）を設立した。社名には「顧客に複数種類の半導体を提供する」という意味が込められている。代表取締役の蔵村文人氏は「誰でも半導体を設計・生産できる世界を実現する」と語る。

ミニウェーハファブの利点の 1 つは、たとえ 1 つであっても、任意の数の半導体を製造できることです。大量生産とは異なり、少量多品種を生産できるのが利点です。

ミニウェーハファブでは、従来の大型ウェーハを使用せず、直径12.5cmの「ハーフインチウェーハ」上に回路を形成します。製造装置の大きさは幅30cm×高さ144cm×奥行き45cmで、露光など多くの工程を行うことができます。 「Mega Fab（メガウエハーファブ）」の設備と併用することも可能です。各工程で使用する装置のサイズが類似しているため、装置間のウエハの搬送にはロボットを使用できます。

さらに、ミニウェーハファブには「ハーフインチウェーハ」をシールできる「ミニシャトル」も搭載されており、クリーンルームが不要になります。超先端半導体の製造に適用することは困難ですが、センサーや微小電気機械システム（MEMS）などの製品を製造する余力は十分にあります。

ミニウェーハファブの利点の 1 つは、設備投資を削減できることです。一般にメガウェーハファブには数百億円（あるいはそれ以上）の設備投資が必要となります。一方、ミニウェーハファブの投資目標はその100/1～1000/XNUMXです。各種装置の規模が比較的小さいため、大規模な工場用地を必要とせず、またラインを形成するための「フォトマスク」も必要ないため、メガウェーハファブとのコスト差は大きい。

さらに、ミニウェーハファブの納期は非常に短いです。大規模な半導体生産では、生産から納品までに非常に時間がかかります。ミニウェーハファブは、必要なときに必要な量を生産する「ジャストインタイム」方式を採用しています。

上記の特性は、IoT（モノのインターネット）に向けた半導体の少量多品種生産に貢献すると期待されています。倉村代表取締役は「顧客の注文量が少ないため、ファウンドリでは対応できない小口注文にも対応できる」と話す。

産総研では2008年にプロジェクトを立ち上げて以来、生産装置や「ハーフインチウェーハ」の開発を進めてきた。一方、産総研はミニウェーハファブをできるだけ早く推進するため、2017年に茨城県つくば市に「ミニウェーハファブ推進機構」を設立したが、担い手が見つからず遅々として進まなかった。ミニウェーハファブを上手に利用できる。倉村代表取締役は「生産設備やハーフインチウェーハは早期に製品化したが、ミニウェーハファブを使いこなせる優秀な人材や企業が見つかっていない」と話す。

ミニウェーハファブをさらに促進するために、ハンドレッドセミコンダクターズ社は、メガウェーハファブが対応できない半導体のプロトタイプや注文に焦点を当てています。ミニウェーハファブは、複雑なビジネス上の意思決定（顧客需要の正確な予測や投資の実現可能性の判断など）を行ったり、試作から量産に移行したりするなど、段階的に課題の解決に取り組んでいます。メガウェーハファブでは吸収しきれない受注を引き受けることで、ミニウェーハファブのさらなる推進を図る。

現在、百半導体社は半導体の設計、試作、量産活動を積極的に推進しています。生産技術の普及という目標を達成するために、顧客と経験を共有することが目的です。同時に、試作機の改良スピードの向上を継続し、早期に量産化に向けて取り組んでいくとしている。

また、産総研では、ミニウェーハファブに利用できる設計ソフトウェアの開発も推進しています。相補型金属酸化膜半導体（CMOS）向けのPDK（プロセスデザインキット）を1年以内に開発するのが目標だ。また、より使いやすくするために、基本的なライン設計を標準化し、研究開発への適用を優先することも検討している。今後、産総研臨海都市センター（東京都江東区）とつくばセンター（茨城県つくば市）で試作を実施する。

さらに、産総研では新たな応用を模索しています。例えば、消費電力の問題を考慮すると、産総研では集積回路（FPGA、プログラマブル）では満たせないギャップを埋める議論を行っており、より多くの設計・プロセス開発サービスの提供と普及を目指している。産総研は「カスタマイズされた要望にも柔軟に対応できる」としている。

産総研は前工程（ライン成形）や接合などの工程の開発を完了した。今後 5 年間の目標は、パッケージ基板を「ハーフインチ ウェーハ」に統合することです。これにより、半導体をより小さな領域にパッケージ化し、消費電力を削減しながら、より多くのアプリケーションシナリオを検討できるようになります。

産総研では、ミニウェーハファブのさらなる推進に向けて、「ハーフインチウェーハ」の生産量を拡大し、50,000年後には年間XNUMX万枚の生産を目指しています。将来的には自社の生産拠点を持つだけでなく、自社で生産を行うことも計画しているという。倉村代表取締役は「推進機関に参加する企業にとって、ミニウェーハファブは選択肢の一つにすぎない。リーダーの役割を最大限に活用し、この生産モデルを推進していきたい」と指摘した。

半導体産業の主要テーマは常に「大量生産、大量消費」ですが、ミニウェーハファブは顧客が必要なときに必要な量を提供することができます。しかしその一方で、顧客層を深掘りし、複数のニーズを持つ顧客層を開拓するという課題にも直面している。同時に、産総研では、多くのお客様に半導体の製造・設計サービスを提供できるよう技術開発にも取り組んでいます。