スマートファクトリー技術により米国での半導体製造の拡大が可能に

この記事では、半導体生産に何が関係しているかを探り、米国の半導体製造を拡大するために必要となるスマート ファクトリー テクノロジーについて紹介します。半導体の生産量を増やすのは簡単なことではないが、米国はすでに相当の生産能力と半導体生産の経験を有しており、ゼロから始める必要はない。

半導体スマートファクトリー – 1つの統合マシン

従来の大量生産の一般的な考え方は、製品が1つの作業から別の作業に渡されるというものです。機能は段階的に独立して追加されます。チップ製造業者、または単に「ファブ」は、他の多くの現代のスマート ファクトリーと同様に、一連の独立した操作ではなく、1つの統合されたマシンのように機能します。それ自体が大きな資本支出を意味します。実際、半導体製造工程では、製造途中のシリコン ウェハーは、人間ではなく、頭上のレール システムでポイントからポイントへと移動する、前面開放型の統合ポッドであるFOUPSによって工場内を輸送されます。

ファブは1つの統合システムであるだけでなく、クリーンルーム環境であるため、粉塵含有量は手術室よりもはるかに低く抑えられています。この環境は非常に重要です。製造中のウェーハにたった1粒のほこりが付着しただけでも、ウェーハが台無しになる可能性があるからです。プロセスの大幅な自動化は、人件費の削減だけでなく、工場内を移動する際に不注意で大量の（不快なほど）粒子を落とす人間の数も減少することを意味します。

この環境を維持するための資本設備、膨大な電力要件を処理するための 変圧器 、さらにはプロセス水用の配管も考慮する必要があります。しかし、このインフラストラクチャはすべて、このプロセスの中核を支えています。それは、シリコン ウェハー上に数十億個の トランジスタ を形成する、驚異的な紫外線リソグラフィー マシンのシリーズです。このようなUVリソグラフィー装置はバスとほぼ同じ大きさで、おそらくこれまでに作られた装置の中で最も複雑なものとなるでしょう。

極端紫外線リソグラフィー – 重要な半導体製造技術

Intel、TSMC、 Samsung などのメーカーのチップは、自動車から携帯電話まであらゆるものに不可欠です。しかし、世界で最も先進的なチップを製造するために必要な機械は、オランダに拠点を置くASMLという1つの会社から供給されている。ASMLはかつてAdvanced Semiconductor Materials Lithographyの略称でしたが、現在は正式に頭字語の地位を超えています。同社は、世界最先端の半導体の製造に不可欠な極端紫外線リソグラフィー装置（EUV）を製造している。Intel、TSMC、Samsungの最新プロセスでは、わずか1平方ミリメートルの領域に約1億個のトランジスタを収めることができます。これはまったく驚異的な数字です。

ASMLのEUVマシンの将来

より確立された主力チップでは、古い非EUV技術を使用することもできますが (これらのデバイスの多くを見つけるのが難しいことを考えると、これも検討する必要があります)、最先端の製造工場では、ASMLが世界で唯一の選択肢です。同社のEUV技術は、90億ドルの費用をかけて何年もかけて開発されました。実際、この取り組みは非常に大規模だったため、Intel、Samsung、TSMCの3社がEUV開発を支援するために同社の株式を購入しました。リスクはあるものの、この投資により世界はさらに小規模でチップを製造できるようになり、ASMLの価値は近年大幅に上昇した。実際、最終的には欧州初の1兆ドル企業になるかもしれない。

簡単に言えば、米国やその他の国で最先端のチップの生産拡大を目指す工場は、1台あたり約1億5000万ドルの価格で、これらのEUVマシンを9〜18台入手する必要がある。高額の場合、1つの工場のEUVマシンだけでも30億ドルに達する可能性があります。このコストをさらに極端にするのは、次世代のEUVマシンのコストが1台あたり「大幅に」3億4000万ドルを超えると予想されることだ。概算で、1台あたり5億ドルになり、工場に20台必要だとすると、1つの工場で100億ドルになります。

おそらく、より高度なEUVマシンが製造されるにつれてその数は減少するだろうが、物事がどう転んでも、高度な工場のコストは数十億ドルに上る。同時に、製造拠点が1つの統合マシンである場合、EUVはより大きな運用の1つの側面にすぎません。最先端の半導体生産施設に100億ドルを投じるのは、まだ出発点に過ぎないようだ。

半導体スマートファクトリーへの供給

ファブは他の業界向けのコンポーネント（チップなど）のサプライヤーと考えられていますが、ファブもプロセスを推進するために材料とコンポーネントの継続的な供給に依存していることを覚えておくことが重要です。これには、電気や水から消耗品、トイレットペーパーまですべてが含まれます。しかし、EUVマシンがプロセスの心臓部であるならば、トランジスタが形成されるシリコン ウェハーは、FOUPの「血液細胞」によって工場全体に送り込まれる工場の酸素です。

アメリカ中心の観点から見ると、ここでの朗報は、米国がすでに工場に供給できる シリコン ウェハー を大量に生産しているということです。同時に、生産量の増加に伴ってさらに多くの未加工のシリコンウェハーが必要になる可能性があり、その他の継続的な製造ニーズを考慮して調達する必要がある。困難ではあるものの、チップ生産の拡大は、供給の安全性の観点からも、直接雇用や支援雇用を通じた経済への波及効果の観点からも、非常に大きな利益をもたらす可能性がある。

サプライチェーンの短縮… は解消できるのか?

米国が世界最大の半導体製造国としての地位を取り戻すのは難しいかもしれないが、一部の人が想像するほど遅れているわけではない。しかし、米国が技術的に完全に自給自足できるという夢は、短期的な幻想に過ぎないようだ。たとえ米国がすべての半導体製造を国内に移転したとしても、オランダに本拠を置くASMLは、世界最先端の半導体を製造するための装置の唯一の供給元であり、その装置は米国に本拠を置く子会社のCymerに依存しており、同社の装置用の高度なレーザーの供給は同社に依存している。両社とも、工程に必要な部品や専門知識の供給を他国、企業、人々に頼っているのは間違いない。… …

米国における半導体製造の拡大は大規模な課題だが、広範な利益をもたらす可能性がある。同時に、今日の相互接続された世界では、近い将来、すべての国が地理的に広範囲にわたるサプライチェーンに依存しなければなりません。できる限り最悪の事態に備えつつ、他国との友好関係を維持するよう努めましょう。そうして初めて、私たちは協力して、2020年以降に見てきたような混乱を防ぐことができるのです。