今、産業界では多くの分野でイノベーション(革新)が求められている。だが、イノベーションを実践するうえで、その障害となる“壁”がつきものだ。こうした“壁”を幾度も超えながら革新を続け、多くの分野の発展に貢献してきたのが半導体業界である。そこで、近年の半導体の進化のカギとなった革新的な技術の1つであるCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨)の開発に長く携わってきた荏原製作所 執行役専務 辻󠄀村学氏に、イノベーションの“壁”を乗り越えるための考え方や具体的なアプローチについて聞いた。前編では、CMPを題材に革新的な技術が生まれる経緯に迫った。後編では、イノベーションの実現に向けて構築した同社のユニークな研究開発システムのコンセプトを明らかにする。

 半導体チップのように、50年以上にわたってハイペースでの性能向上を継続できている工業製品は類を見ない。その進化の過程で数々のイノベーションが生まれたからこそ、私たちはその恩恵を享受できている。そのイノベーションを実現する大きな力をもたらしたのが、「半導体チップに集積可能なトランジスタの数は、2~3年ごとに倍増する」という「Moore(ムーア)の法則」と呼ばれる有名な技術トレンドである。この“法則”を提唱した、Gordon E. Moore氏が、この50年間で最も驚いた技術として挙げたのがCMP(概要は下記の「Mooreの法則を30年延命させたCMPとは何か?」を参照)である。(聞き手=伊藤元昭)

――人工知能(AI)や自動運転車など、社会の姿を一変させるような技術が広く使われる見込みです。そうした技術の進化を支える半導体には、さらなる進化が求められますね。

辻󠄀村氏 半導体は、まだまだ進化していくでしょうし、進化させなければならないと思います。 半導体業界には、技術開発の挑戦目標を明確に示す2つの重要な技術トレンドがあります。1つは半導体チップ上に搭載可能なトランジスタの数が2~3年で倍増していくことを予見した、いわゆる「Mooreの法則」。1964年にインテルのGordon Moore氏がたった4ページの論文で披露しました。そして、もう1つがMooreの法則を維持するには半導体デバイスのサイズを毎年0.7倍(面積で半分)のペースで縮小していく必要があることを示した「スケーリング則」です。1975年に、IBMのRobert H. Dennard博士が提唱した微細な電子デバイスを作る際の技術開発指針を体系化したものです。

荏原製作所 執行役専務 辻󠄀村学氏
(撮影:栗原克己)

 半導体チップは、これらの技術トレンドに沿って50年以上にわたって進化してきました。半導体業界は、この2つの技術トレンドの維持を大目標とし、それを実現する要素技術を明確にした技術ロードマップを共有して、様々な業種の企業が得意分野で分担開発してきました注1)。半導体チップの目覚ましい進化は、こうした多くの企業の努力の賜物だと言えます。

注1)半導体デバイスの加工線幅が初めてサブミクロンの領域に突入した1991年、「Micro Tech 2000 Workshop Report」と呼ぶレポートが米国で出された。そして、業界団体であるSIA(Semiconductor Industry Association)が「NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductor)」と呼ぶ米国における半導体チップ開発の技術ロードマップを作成するようになった。その後、最先端の半導体の開発は米国だけで進めることが困難になり、日本、EU、韓国、台湾が参加して国際ロードマップ「ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor)」を作成するようになった。2015年にロードマップの役割は終わったとして、SIAがロードマップの策定活動の停止を宣言した。しかし、実際にはその活動自体は止まることなく、現在も新しいロードマップ活動が引き継がれている。

50年以上、指数関数的進化を続ける稀有な工業製品

――確かに、半導体チップほど、ハイペースでの進化を長きにわたって継続している工業製品はないと思います。

辻󠄀村氏 半導体チップがこれほど進化できたのは、業界全体で技術ロードマップを共有し、関係各企業がそれぞれの持ち場で求められる技術を確実に実現してきたからです。

 私は、技術ロードマップとスケジュールは全く別物だと考えています。スケジュールは、できそうなことを日程としてまとめたものです。これに対し、ロードマップは関係者が合意した最終目標に向かってやり遂げる意志を共有したものです。半導体技術は、電気・電子、物理、化学、機械、材料、制御など多様な技術の複合体です。一部の技術のがんばりだけでは、新しい半導体チップは作れません。このため、技術ロードマップを様々な業種の企業が共有し、業界全体で歩調を合わせて技術を進化させていく必要があるのです。

――自社の技術開発が業界全体の進化・発展につながるので、責任は重いですね。

辻󠄀村氏 半導体業界では、チップ上に形成するトランジスタや配線の加工線幅を指標として、2年ごとの微細化目標を決め、その実現に欠かせない要素技術をロードマップとして明示しています。10年以上先まで、採用候補となる要素技術の到達目標が書かれているのです。そして、それら要素技術が1つでも実現できなければ、チップは進化できません。だから、持ち場にどのような高い壁があったとしても、それを乗り越える強い意志とたゆまぬ努力が求められます。

――Mooreの法則の継続を危ぶむ声が出るまでに、半導体技術は進化しています。これからも進化できるのでしょうか。

辻󠄀村氏 確かに、半導体チップが進化し続けるたびに、超えるべき技術の壁はどんどん高くなってきています(図1)。ロードマップ上では、2020年に加工線幅が5nmに達します。この世代は、技術的に極めて大きな壁だと思われていました。しかし現状では、半導体業界の各社の努力で、間違いなく超えられるという感触が得られる状況になっています。しかし、その先には、さすがに乗り越えられない“Red Cliff(赤い壁)”が立ちはだかると業界では考えられています。

図1 技術ロードマップをクリアする度に、より高い壁が現れる
(図版提供:荏原製作所)

 今、半導体の応用市場は、爆発的に拡大しています。これまではパソコンやスマートフォンなど、1つの応用機器が半導体市場の成長をけん引していました。これが今では、IoT、クラウド、AI、クルマ、5Gといった半導体の応用市場が生活や社会を一変させるといわれています。私は、これら、爆発的な成長の前夜にある応用をひとくくりにして「ICAC5(アイカック・ファイブ)」と呼んでいます。ICAC5を実現するためには、半導体の進化を停滞させることはできません。2025年~2030年には加工線幅は、14Å(オングストローム、100億分の1m)というデバイスのサイズが原子の大きさに迫る時代に突入する見込みです。無理な目標のように見えますが、人間の欲求ある限り、その実現を目指すことになるでしょう。半導体に対する進化のニーズは永遠に不滅です。そして、その半導体の実現を支える装置産業も不滅でなければならないと私は考えています。

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Mooreの法則を30年延命させたCMPとは何か?

 CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨)とは、半導体チップの生産工程の中で、チップ表面の細かな凹凸を平坦にならす研磨技術である。

 半導体チップの上には、ナノ(10億分の1)メートル・レベルの線幅の配線を張り巡らせた回路パターンが描かれている。こうした微細なパターンをチップ形成基盤であるウエハーに転写する際には、その表面が平らでないと正確に転写できない。凹凸のある壁にプロジェクターで画像を映しても、まともには映らないのと同じ原理である。また、たとえ何とか配線が形成できたとしても、素地に凹凸があると歪んだ低品質の配線しか形成できない。半導体チップが進化し、搭載する回路が複雑化する過程で、配線を多層化する必要が出てきた。すると、重ねる配線層が増えれば増えるほど、凹凸が大きくなっていった。CMPは、こうした凹凸を平坦にならすために使われる(図A)。

図A CMP導入前後での半導体チップ断面の形状の変化
(図版提供:荏原製作所)

 ナノの精度で作られる半導体チップは、地球上で最も清浄な環境であるクリーンルームの中でしか作れないというのが常識だ。このため、凹凸を平坦化する技術も当然クリーンな技術が求められる。CMP登場以前の平坦化技術には、真空中で処理する極めてクリーンな技術が使われていた。ところが、凹凸を十分に抑えることが困難だった。この平坦化の継続が困難なことを理由にして、Mooreの法則の継続が困難であるとする声もあった。

 この状況を打破したのがCMPである。CMPならば、チップ断面の形状を、あたかも定規で描いたかのように平坦にできる。ただし、この技術は、半導体の製造工程としては極めて異端の存在だ。前述したように半導体チップの製造はクリーンルームの中で行われる。ところがCMPは、いわば焦げた鍋をクレンザーでゴシゴシ洗うような工程である。それをナノレベルの回路パターンを描いたウエハーに施そうというのだから、半導体の専門家であるMoore氏が驚いたのも無理はない。だが、その異端の技術が実用化したからこそ、Mooreの法則を30年以上延長させることができたのは紛れもない事実である。

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専門家を拒絶し、素人を通す“発想の壁”

――半導体チップがここまで進化する過程には、多くの壁があったと思います。中でも、1990年代前半に直面した、チップ上の回路の複雑化による製造の壁は進化を阻む大きな壁でした。その壁を打破したのが、荏原製作所が実用化したCMPだと聞いています。

辻󠄀村氏 CMPに関して、最近うれしいことがありました。2018年9月に「SSDM 2018」という固体素子の学会が開催されました。このとき同学会の50周年を記念したプログラムとして、Moore氏のビデオレターを上映しました。約10分のインタビューの中で、「今までMooreの法則の継続に貢献してきた技術の中で、最も予想外だった技術は何か」という問いに対して、間髪入れずに「CMPです。CMPがなければMooreの法則はこれほど長く継続しなかったでしょう」と話していました。

 これを聞いて、私は大喜びですよ。今やマイクロプロセッサーの世界最大手として知られるインテルを創業し、業界全体を長きにわたってけん引するトレンドをいち早く予見したほどの才覚のあるMoore氏が、CMPを予想外の技術と言っているのですから大感激です。私は、世界中にいる友人のCMPエンジニアにメールでこのことを知らせました。

――荏原製作所は、ポンプメーカーとして有名な企業です。研磨技術であるCMPは畑違いのように思えます。Mooreの法則の提唱者が驚くような画期的技術の装置をなぜ開発することができたのでしょうか。

辻󠄀村氏 結論から言えば、私たちが素人だったからこそ、開発できたのだと思います。実は、CMPの実用化以前にも、半導体の製造には研磨技術が使われていました。デバイスを形成する前のシリコンウエハー(ベアシリコン)は、昔から研磨して平坦にしていたのです。ただし、これはクリーンルームに入れる前の工程でした。だからウエハーを泥だらけにして研磨しても、しっかりと洗浄してからクリーンルームに入れることができました。

 チップ上の配線が複雑化し、平坦化に苦慮していた半導体エンジニアは、様々な平坦化の手法を試していました。しかし、研磨すれば平坦化できそうなことは何となく感じていたかもしれませんが、実際に使うという発想はありませんでした。なぜならば、研磨の工程でウエハーが汚れるからです。極めて微細な構造を持つ半導体デバイスの製造工程では、不要な混入物を徹底的に排除しなければなりません。このためクリーンルームで作るというのが常識です。ところが研磨を平坦化に使うとなれば、スラリーと呼ぶ研磨剤を含む“泥”のようなものをトランジスタ形成後のウエハーに塗りたくって、その上から工具を使ってゴリゴリと研磨します。平坦化手法の選択肢から半導体技術者は真っ先に除外するのは、ある意味当たり前です。

(撮影:栗原克己)

――専門家ならば誰もが手を出さない技術の開発に取り組んだのですか。

辻󠄀村氏 クリーンルームに汚い工程を入れることがいかに危険なことなのか、いま一つピンときていなかったのです。

 半導体デバイスのメーカーの中に、1社だけCMPを平坦化技術として積極的に開発していた常識にとらわれないところがありました。IBMです。しかし、そのIBMでさえ研磨装置をクリーンルームに持ち込むことはしていませんでした。従来から研磨装置を手がけていたメーカーは、研磨工程は泥だらけになって当たり前と思っていますから、それをクリーンルームに入れるのは不可能だと思ってしまったようです。「研磨屋の研磨知らず」といったところでしょうか。

 ところが、国内デバイスメーカーでこのCMPをクリーンルームに持ち込もうとした、さらに大胆なメーカーがありました。そして、全くの門外漢だった私たちにも話が持ち込まれました。私たちはいかに無謀な要求であるのかピンときていませんから、「お客さんが欲しいというのなら、試してみよう」ということになったのです。そして、装置に入れる前と同じ乾いてクリーンな状態を、研磨装置から取り出す時にも維持できればよいのではと考え、「ドライイン・ドライアウト」というコンセプトの研磨装置の開発に着手したのです(図2)。

図2 革新的技術が実用化されたのは、ユーザーに嫌われる点を徹底対策したから
(図版提供:荏原製作所)

 どんなに高度で、斬新な技術でも、市場が受け入れないものはイノベーションとは呼べません。CMP装置では、クリーンな状態で使えるようにすることが、市場が受け入れるための条件だったのです。私たちは、顧客の要求通りに洗浄機能を付加し、装置内の気流設計を徹底的に見直して装置内の汚い空気が出ないような対策を施して、クリーンルームに入れることができるCMP装置を実現しました。それを実現したのは技術開発を指導してくれた顧客と荏原製作所のがんばりだったと自負しています。

――CMPは研磨技術ですが、半導体チップの製造に使うためには、研磨技術そのものではなく、付帯技術を改善する必要があったわけですね。

辻󠄀村氏 実用化に際しては、コアの技術よりも、付帯的な技術の方がよほど重要なことは意外とよくあるように思えます。例えば、荏原製作所は、半導体工場内で使うドライポンプと呼ぶ油を使わず回すことができるポンプを作っています。ルーツポンプと呼ぶ技術なのですが、それを発明したのは荏原製作所ではありません。また、それを半導体に応用することを考えたのも私たちではないのです。ただし、それを半導体工場内で使うためには排ガスを処理する技術が欠かせませんでした。私たちは、排ガス処理装置を併せて製品化することで、広く使ってもらえるようになりました。CMP装置の開発でも、この経験が生きています。

イノベーターは愚直に考え続けよ

――専門性の沼にはまってしまうと、新しい取り組みをする手が萎縮してしまうのでしょうか。

辻󠄀村氏 その通りかもしれません。実際に、私たちにも経験があります。その恥ずかしい話をしましょう。

 半導体産業では、1990年代後半に、配線材料を従来のアルミニウムから抵抗率の低い銅に変更する動きがありました。銅はエッチングで配線パターンをきれいに作ることが難しかったので、配線を作る素地となる絶縁体に配線パターンの溝を掘り、そこに埋め込んできれいな配線を作る工程が考えだされました。ダマシン法と呼ばれる技術です。

 この時に銅で溝を埋め込む工程をめっきで行うというアイデアがありました。そこでグループ企業の中に、めっき装置を作るメーカーがあった荏原製作所に声が掛かったのです。ところが、それまでのめっき技術の常識的成膜品質をよく知るあまり、顧客である半導体メーカーには、その技術を実用化することの難しさばかり語ってしまいました。その結果、別のメーカーのめっき装置が採用されてしまいました。まさに、「めっき屋のめっき知らず」と言える話ですね。反射的に過去の経験だけを基に判断してしまい、よく考えていなかったのです。

 私たちは、この件から、顧客との間で情報と挑戦する気持ちを共有し、信じて愚直に取り組むことの重要性を痛感しました。恐れずに信じて取り組めば、壁は自然と乗り越えることができるのです。

――半導体チップには、まだまだ進化してもらわないと困ります。専門家だからこそ乗り越えられない“壁”があることは、戒めとして重要ですね。

辻󠄀村氏 半導体のロードマップでは、2030年で14Åの実現を目指すことになっています。しかし、業界は「不可能だ」「無理だ」といった言葉で満ちています。今こそ、「半導体屋の半導体知らず」にならないよう、われわれ半導体に携わる者は自戒しなければなりません。半導体デバイスをよく知る専門家だからこそ、目が曇っている可能性があるのです。実現に向けた問題点は何なのか、市場は本当に欲しいと言っているのか、半導体業界の既存企業はどのような技術を提供できるのか。私たちはそれを信じ、実現を信じて愚直に取り組み続けます。(後編「革新は研究所解散から始まった」に続く)

(撮影:栗原克己)