半導体技術の全体地図――物理・デバイス・製造・パッケージ・FPDへの入口

この記事で分かること

• 半導体分野にはどのような大きな枝があるのか
• 半導体物理とデバイス、製造、パッケージの関係
• 前工程と後工程、先端パッケージの位置付け
• FPDが半導体と共通する部分、独立して扱う部分
• 製造装置と真空・プラズマ・RFなどの基礎技術の位置付け

まず結論

半導体技術は、製造工程や製造装置だけの分野ではありません。

材料の中で電気がどう流れるかを理解し、その性質からデバイスを設計し、ウェハ上へ回路を作り、切り分けて接続・保護し、製品として試験するまでが一つの大きな体系です。

さらに、LCDやOLEDなどのFPD、半導体・FPDを作る装置、装置を支える真空・流体・温度・プラズマ・RF・制御技術が横断的につながります。

入口は三つある

初めて読む人は、疑問に近い入口から進めます。

半導体という物から知る

半導体とは何か？では、導体・絶縁体との違い、シリコン、トランジスタ、ICを扱います。その下にはBand Gap、電子と正孔、n型・p型、pn接合、MOSFET、材料別の特徴が続きます。

製品になるまでを知る

半導体はどうやって作られる？では、材料からWafer、前工程、Wafer Test、Dicing、Assembly、Packaging、Final Testまでをたどります。

分野同士の関係を知る

この記事は、物理・デバイス・製造・パッケージ・FPD・装置・基礎技術の間を移動するための案内図です。

半導体物理・材料

この枝では、なぜ半導体の電気的性質を制御できるのかを扱います。

• 導体・半導体・絶縁体
• Band Gap
• 電子と正孔
• 真性半導体・不純物半導体
• n型・p型
• pn接合
• Si、SiC、GaN、GaAs

材料名を覚えるだけでなく、Carrier濃度、移動度、耐圧、熱伝導、光との相互作用などが、どのデバイスに向くかへつながります。

半導体デバイス

この枝では、材料の性質を使って何を作るかを扱います。

• Diode
• Transistor
• MOSFET
• IC
• Logic
• Memory
• Power Semiconductor
• Sensor

CPUとMemoryはどちらもICですが、回路構成と役割が違います。Power SemiconductorやSensorでは、微細化だけでなく耐圧、電流、熱、光や物理量の検出が重要になります。

半導体製造――前工程と後工程

前工程では、Wafer上へトランジスタや配線を作ります。酸化・熱処理、成膜、フォトリソグラフィ、エッチング、イオン注入、CMP、洗浄、検査・計測などを組み合わせます。

後工程では、加工済みWaferを試験し、Dieへ切り分け、外部と電気的・機械的に接続し、保護して製品にします。Wafer Test、Back Grinding、Dicing、Die Bonding、Wire Bonding、Flip Chip、Molding、Final Testなどが含まれます。

重要なのは、前工程が終わっても製品は完成していないことです。

半導体パッケージ・先端実装

PackageはDieを守るだけの箱ではありません。外部との電気接続、電力供給、Signal Integrity、放熱、機械的保護を担います。

従来のDIP、SOP、QFP、QFN、BGA、CSPに加え、WLP、Fan-In、Fan-Out、FOWLP、FOPLP、RDL、2.5D・3D、TSV・TGV、Interposer、Chipletへ広がります。

FOPLPのようなPanel Level Packagingでは、DFR、Cu配線、Wet・Dry Etching、Laser Via、Glassなど、複数分野への横断リンクが必要になります。

FPD――製品・工程として独立、基礎技術で接続

FPDにはLCD、OLED、TFT、Array・Cell・Module工程、Glass基板、基板世代、大型基板特有の課題があります。

半導体と同じ枝の末端として扱うのではなく、製品と工程の体系として独立させます。一方、CVD、PVD、Photolithography、Etching、Wet、Plasma、Vacuum、RF、搬送、検査などは共通技術として相互参照します。

半導体・FPD製造装置

半導体製造装置とは？では、前工程装置だけでなく、Dicer、Die Bonder、Wire Bonder、Flip Chip Bonder、Molding、Inspection、搬送・FAまで俯瞰します。

装置は工程を量産可能にする手段です。技術としてのCVD、工程としてのCVD、装置としてのCVDを分けて考えることで、原理と実機を混同しにくくなります。

装置・プロセスを支える基礎技術

装置の種類を越えて参照する横断分野です。

• 真空
• Gas・流体
• 薬液
• 温度制御
• Plasma
• RF・電源
• Sensor
• PLC・PC制御
• 通信
• Recipe
• Interlock
• Safety

例えばPECVDはCVDだけでなくPlasma、RF、Vacuumへつながり、Dry EtchingもPlasma、RF、Gas、温度へつながります。

深く進むときの原則

上位では、Etchingを成膜、Photolithography、洗浄、CMP、イオン注入と並ぶ一工程として扱います。

一方、その下ではWet Etching、Dry Etching、Plasma Etching、CCP・RIE・ICP、Source・Bias、Sheath、RF Matching、Transmission Line、大面積電極、Uniformity、Arcingまで深く進めます。

他の分野も同じです。CVDなら原理、工程、装置、Parameter、均一性、実機トラブルへ、Wetなら反応、物質移動、装置方式、循環・ろ過・温調、均一性、トラブルへ進みます。

入口は広く浅く、下層は狭く深く。 ここでいう「広く浅く」は短い説明という意味ではなく、一つの専門だけを突出させず、全体を十分な文章量で見渡すことです。

次に読む

• 半導体とは何か？
• 半導体はどうやって作られる？
• 半導体製造装置とは？
• RFマッチング回路を考える際の基本