半導体プロセス(1)

Summary

このビデオスクリプトでは、集積回路が電子業界を劇的に変革し、私たちの社会に不可欠な部分となっています。コンピュータなどの高度な電子機器に広く使用されており、日常生活に欠かせないものとなっています。ビデオでは、頭の動きでマウスカーソルを動かしたり、音声で操作を行う技術など、研究開発を通じて私たちの生活の質を向上させるコンピュータの使用例が紹介されています。また、集積回路がどのように作られるかについても、純粋なシリコン結晶の成長から始まり、ドープの追加など技術的な詳細を説明しています。

Takeaways

• 🎵 スクリプトには音楽と拍手の効果音が多数含まれている。
• 🌐 インテグレーテッド回路は電子産業を劇的に変え、私たちの社会に不可欠な部分となっています。
• 💻 コンピュータは日常生活に欠かせない高度な電子機器として使用されており、研究開発にも広く用いられています。
• 🚀 現代の電子時代は、数千のトランジスタやその他の電気部品が小さな結晶材料に集約されたときに始まりました。
• 🔬 コンピュータの中には、情報を記憶したり、毎秒何億回もの操作を実行できる小さなデバイスが並べられています。
• 🌟 シリコンクリスタルの成長から始まるインテグレーテッド回路の製造は、技術的な中心地であるシリコンバレーで行われています。
• 💠 純粋なシリコン結晶の成長には、砂から精製された純粋なシリコンが使用され、単結晶の種を用いて成長させられます。
• 🔩 ドープ剤を加えることで、シリコン結晶の電導性を調整し、半導体として機能する材料となります。
• 🛠️ ウォファーは研磨され、平坦で厚みが一定になるようにし、化学処理によって表面の汚れを除去します。
• 🔍 回路設計には、コンピュータ支援設計やコンピュータ支援工学のようなソフトウェアとハードウェアツールが使用されます。
• 🏭 CMOS製造プロセスは、数百の個別の操作を含み、数週間かかることもありますが、汚染の管理が非常に重要です。

Q & A

集積回路はどのようなもので、なぜ重要なのですか？

集積回路は電子部品を集約した回路であり、電子業界を変えた重要な発明です。コンピュータや高度な電子機器に使用され、私たちの日常生活に欠かせない部分となっています。

集積回路が発展するにつれてどのような変化がありましたか？

集積回路は元々は大きな真空管やトランジスタから発展し、現在では数百ミリオンものトランジスタを持ち、マイクロ電子、通信、コンピュータ業界の中心となっています。

純粋なシリコン結晶がどのように作られますか？

砂からのシリコンを精製し、多結晶として純粋化します。その後、溶けたシリコンに種を下ろし、回転しながら新しい結晶が形成されます。

ドーパントとは何で、どのような種類がありますか？

ドーパントはシリコン結晶に加えられた不純物で、電気伝導性を高める役割を果たします。n型ドーパントは砒素やリン、p型ドーパントは硼などがあります。

集積回路の製造にはどのような工程が必要ですか？

集積回路の製造には、シリコン結晶の成長、ウォーファーの加工、回路設計、マスクの作成、電子ビーム装置でのパターンの転写、および多段のマスクを使用したトランジスタの形成などが必要です。

コンピュータ内で集積回路はどのように機能しますか？

コンピュータ内の集積回路は情報を記憶したり、何億もの操作を1秒間に実行することができます。

CMOSトランジスタとはどのようなもので、どのように機能しますか？

CMOSトランジスタは、nチャンネルとpチャンネルのトランジスタを組み合わせたもので、電気信号のスイッチとして機能します。小さな電圧を適用することでオンオフを制御します。

回路設計において、コンピュータ支援設計とコンピュータ支援工学はどのような役割を果たしますか？

回路設計では、これらのツールを使用して回路の正確性をチェックし、エラーを特定し、回路の設計を最適化します。

マスク設計とは何であり、その重要性はどの程度ですか？

マスク設計は、回路の設計をもとにマスクのレイアウトを作成するプロセスで、回路パターンをウォーファーに転写する際に不可欠です。

集積回路の製造において、汚染の管理はなぜ重要ですか？

汚染の管理は、効果的な半導体デバイスの生産において非常に重要で、微細なほこりが生産効率を大幅に低下させる可能性があります。

CMOS製造プロセスにおける基本的技術には何が含まれますか？

CMOS製造プロセスには、二酸化シリコンの薄層形成、ドープ原子の導入、絶縁材や導電材の堆積、そしてこれらの層の精密なパターン化が含まれます。

Outlines

00:00

🌐 集積回路と電子業界の進化

集積回路は電子業界を劇的に変革し、私たちの社会に不可欠な部分となっています。コンピュータをはじめとした高度な電子機器に広く使用されており、日常生活に密接に関わっています。集積回路は小さなクリスタリン状の物質に数千ものトランジスタやその他の電気部品を統合することで、現代のチップには数百万个のトランジスタが含まれ、マイクロ電子工学、通信、コンピュータ業界の中心となっています。コンピュータの中核となる集積回路は、昔の大きな真空管やトランジスタから進化し、シリコンバレーのような技術的センターで製造されています。シリコンクリスタルの成長から始まり、砂からの純粋なシリコンの精製、単結晶の形成、そして原子構造の詳細についても触れています。

05:01

🔬 半導体の基礎とドーパントの役割

この段落では、半導体の基礎とドーパントの追加による電気传导性の増加について説明しています。自由電子や空き（電子が抜けた場所）が電流を運ぶ仕組みと、n型ドープとp型ドープがどのようにして半導体を作り、電気的特徴を持たせているかが解説されています。n型ドープは砒素やリンなど、シリコンよりも1つの価電子を持つ元素であり、p型ドープは硼など、シリコンよりも1つの価電子が少ない元素です。これらのドープを用いてn型とp型の半導体が作られ、電気フィールドに応じて自由電子や空きが移動し、電流を導くことが可能になります。

10:02

🛠️ 集積回路の設計と製造プロセス

集積回路の設計と製造プロセスがこの段落で詳述されています。設計チームはコンピュータアーキテクトから始まり、ロジックデザイナー、回路デザイナーへと細分化され、マイクロプロセッサの次世代を設計しています。トランジスタの働きやCMOS（補完型金属酸化物半導体）トランジスタの仕組みについても説明されており、電気信号がどのようにスイッチを介して伝播するかも解説されています。回路設計には、コンピュータ支援設計（CAD）やコンピュータ支援工学（CAE）のようなソフトウェアとハードウェアツールが使用され、マスクデザイナーが回路の青写真を作り、電子ビーム装置によってマスクにパターンが転写されるプロセスが紹介されています。

15:03

🔍 集積回路の製造工程とマスクの使用

この段落では、集積回路の製造工程とマスクの使用について詳しく説明しています。製造には多岐にわたる工程があり、何百もの個別の操作が繰り広げられ、数週間を要する場合もあります。コンタミネーションの管理が非常に重要で、純粋な状態を保つ必要があります。p型ウエーファーの選択から始まり、シリコンジオキサイドの層の形成、ドープ原子の導入、様々な絶縁材や導電材の堆積、そして各層の精密なパターン作りが行われます。フォトリシストという感光材料を使用して、マスクのパターンがウエーファーに転写されるフォトリトグラフィー技術も紹介されています。

20:07

🧪 フォトリシストの使用と製造プロセスの開始

最後の段落では、フォトリシストを使用した製造プロセスの開始について説明しています。フォトリシストは光に敏感な樹脂溶解物質で、ウエーファーの表面に均等地塗布され、熱プレートで加熱して溶剂を蒸发させます。このプロセスは、マスクを使用してウエーファーにパターンを転写するフォトリトグラフィー技術の一部であり、集積回路の製造において重要な役割を果たしています。

Keywords

💡集積回路

集積回路とは、電子部品を1つの基板上集約して作られた回路のことです。ビデオでは、集積回路が電子産業に大きな変革をもたらし、私たちの日常生活に欠かせないものになったと説明しています。例えば、ビデオでは集積回路がコンピュータの心臓部として機能していると述べられています。

💡半導体

半導体は、電気抵抗が可変である材料のことであり、集積回路の製造に欠かせない材料です。ビデオでは、シリコンという半導体が、集積回路の基盤となる材料として使用されていると紹介されています。シリコンは砂から精製され、多様な電気的性質を持つため、集積回路の製造に適しています。

💡トランジスタ

トランジスタは、集積回路を構成する基本的な部品の一つであり、電気信号を制御するスイッチとして機能します。ビデオでは、トランジスタが数百ミリオン回の操作を1秒間に行い、デジタルの0または1を表すと説明されています。これはコンピュータが理解し、有用な操作に変換するロジックや言語です。

💡ドープ

ドープは、半導体の電気的性質を変化させるために加えられる添加物です。ビデオでは、n型ドープとして砒素やリン、p型ドープとして硼が用いられ、これにより自由電子や空き位が生じ、半導体の電気的導通性を変化させると説明されています。

💡CMOS

CMOSとは、互补型金属氧化物半導体 transistorの略称で、集積回路の重要な構成要素です。ビデオでは、CMOSが非常に効率的で省電力なトランジスタを作り出す方法として紹介されており、pチャンネルとnチャンネルのトランジスタが組み合わせて動作する仕組みも説明されています。

💡ウアフラー

ウアフラーは、半導体チップの製造プロセスで使用される薄い円盤状の材料です。ビデオでは、ウアフラーがシリコンの結晶として成長し、その後スライスされて集積回路の基盤となると説明されています。

💡光錐

光錐は、集積回路の製造プロセスで使用される技術の一つで、非常に細かい線を形成する光線を用いてマスクからパターンを転写します。ビデオでは、光錐がマスクを使ってウアフラーに回路のパターンを転写するプロセスを紹介しています。

💡設計チーム

設計チームとは、集積回路の設計に関わる多岐にわたる専門家の集まりです。ビデオでは、コンピュータアーキテクトから回路設計者まで、さまざまなレベルの専門家が協力してマイクロプロセッサの次世代を設計すると説明されています。

💡製造プロセス

製造プロセスとは、集積回路を製造する一連の工程のことを指します。ビデオでは、CMOS製造プロセスが非常に複雑で、数百の個別の操作を含み、数週間かかることもあると紹介されています。また、汚染の制御が非常に重要であると強調されています。

💡精度

精度とは、集積回路の製造プロセスにおける細かい線やパターンの正確さを指します。ビデオでは、精度の高さが集積回路の性能に直接関係しており、非常に汚染がないように環境を管理する必要があると説明されています。

Highlights

Integrated circuits have drastically changed the electronics industry and are integral to society.

Computers with integrated circuits are used in research and development to improve life quality.

Modern electronic era began with the integration of thousands of transistors on a small slice of crystalline material.

Today's chips contain millions of transistors and are central to microelectronics, communications, and computer industries.

Integrated circuits evolved from bulky vacuum tubes and transistors and are fabricated in technological centers like Silicon Valley.

Silicon, the common element found in sand, is refined and used to create pure silicon crystals for integrated circuits.

Silicon's cubic atomic structure allows for the growth of single crystals used in integrated circuits.

Conductivity of silicon can be increased by adding impurities called dopants.

Dopants like arsenic or phosphorus create n-type silicon, while boron creates p-type silicon.

Free electrons and holes in silicon conduct electrical current in response to applied electrical fields.

Silicon's ability to be a poor or good conductor makes it a semiconductor.

The ingot is sawed into thin wafers, which are then ground and polished to ensure uniformity and cleanliness.

Engineers design circuits that will be fabricated on the wafer surface, often requiring over 100 specialists for a microprocessor.

Transistors are microscopic switches that turn on and off hundreds of millions of times per second.

CMOS complementary metal-oxide-semiconductor transistors are created using n-type and p-type silicon regions.

Transistors amplify signals or represent digital information as a zero or one, forming the basis of modern electronic communications.

Designing circuits requires software and hardware tools, including computer-aided design and engineering.

Masks are used to transfer circuit patterns onto the wafer through a series of steps in the CMOS fabrication process.

Control of contamination is crucial in the fabrication process, as dust particles can drastically reduce the yield of semiconductor devices.

The fabrication process involves hundreds of individual operations and may take several weeks to complete.

Transcripts

[Music]

[Music]

[Music]

[Music]

[Music]

[Music]

[Applause]

[Music]

integrated circuits have drastically

changed the electronics industry and

have become an integral part of our

society okay they are used in

sophisticated electronics and computers

which are part of our everyday lives

[Music]

[Music]

hi I'm not here now but leave me a

message and I'll get back in touch hello

comma my name is my name I'm using head

movements to move the mouse cursor

around and speech to do all my hands

words and commands these computers are

used extensively in research and

development to improve the quality of

our lives

Wisconsin wake up press but period go to

sleep

the modern electronic era bloomed when

thousands of transistors and other

electrical components were integrated on

a small slice of crystalline material

today's chips contain millions of

transistors and are the heart of the

micro electronics communications and

computer industries

[Music]

inside a computer there are rows of

these tiny devices each one capable of

storing information or executing

hundreds of millions of operations a

second

integrated circuits have evolved from

bulky vacuum tubes and transistors and

are fabricated in technological centers

like Silicon Valley

it all begins with the growth of pure

silicon crystals silicon is the common

element found in sand it is 28% of the

Earth's crust and second only to oxygen

in abundance the silicon from the sand

is refined and purified as polysilicon

chunks the purified silicon is then

heated to a molten State

a small solid piece of single crystal

called a seed is gently lowered into a

rotating vat of molten silicon using the

cubic atomic structure of the seed as a

pattern a new crystal will form as the

symmetrical extension of the original

seed

the hot liquid silicon in contact with

the seed begins to cool and solidify as

it is gently pulled from the molten

region

the cubic atomic structure of silicon

consists of atoms with four electrons in

their outermost shell in a perfect

crystal and at low temperatures each

silicon atom bonds with its four

neighbors there are no free electrons to

conduct current at room temperature

however the silicon crystal has enough

thermal energy to free a small number of

electrons these free electrons conduct

current as do the holes where the

electrons have been this conductivity

can be increased by adding impurities

called dopants

dopants are elements which are similar

to silicon in atomic structure there are

two types of dopants n-type dopants like

arsenic or phosphorus have one more

valence electron than silicon p-type

dopants like boron have one less when

some silicon atoms are replaced by

arsenic or phosphorus the crystal is

called n-type due to the extra electrons

are negatively charged free carriers

if boron is used the missing electron

behaves very much like a positive

carrier the crystal is called p-type

these free electrons and holes move

through the crystal conducting

electrical current in response to

applied electrical fields

after 48 hours of growth a single

crystal results from the liquid melt

the ability of Silicon to be either a

poor or a good conductor by fine control

of doping concentration make silicon a

member of a class of materials known as

semiconductors

[Music]

[Applause]

the shiny rippled surface of the crystal

is ground to form smooth uniform ingots

a curved diamond edge blade saws the

ingot into wafers that are as thin as

possible without being too fragile and

difficult to handle

the wafers are scrubbed and the edges

are rounded off and beveled to reduce

chipping the wafers are then ground

smooth on both sides to obtain a

consistent flatness and thickness from

wafer to wafer

[Applause]

they are rinsed and etched in chemicals

to remove surface contamination the

final polish is done on only one side of

the wafer

[Music]

[Music]

the characteristic mirror-like luster is

free from scratches and contamination

the waivers are measured for resistivity

which is a function of dopant

concentration

they are inspected packaged and sent to

fabrication areas where they will be

made into integrated circuits meanwhile

teams of engineers work together to

design circuits that will be fabricated

on the wafer surface in this facility

over 100 specialists are often required

to design the next generation of a

microprocessor the organization of a

design team corresponds to the

organization of a completed chip right

now our eye caches is like 32 K solicit

lease offer them an option which

computer architects working at the

highest level of abstraction define the

overall function of the chip they

establish the microarchitecture which

regulates the timing and sequences of

instructions that tell a microprocessor

what to do

the design is divided into areas that

perform specific functions each unit is

assigned a logic designer who works at

the logic level to create more detailed

specifications and establish hardware

needs each unit is further subdivided

into functional blocks each block is

assigned to a circuit designer who works

at the transistor level the design

becomes a maze of interconnected

microscopic switches known as

transistors these transistors turn on

and off hundreds of millions of times

per second and in the process either

amplify incoming electrical signals or

represent this information as a digital

zero or one these two states make up the

code used in modern electronic

communications they are the logic or

language that computers understand and

translate into useful operations

to see how transistors work let's

examine a pair of CMOS complementary

metal-oxide-semiconductor transistors

the n-channel transistor has too heavily

doped electron-rich n-type regions

separated by an electron poor p-type

substrate the electron rich regions

called the source and drain become the

ends of an electronic switch which is

normally off the gate electrode is close

to but electrically isolated from the

p-type region the application of a small

positive voltage creates a net positive

charge on the gate

this charge attracts electrons from the

drain and source regions turning the

switch on when the gate voltage returns

to zero the transistor is again off in

the normally off p channel transistor

heavily doped p-type regions are

separated by a lightly doped n-type

substrate the application of a small

negative voltage repels electrons but

attracts the positive carriers turning

the switch on it is possible to

fabricate both P and N channel

transistors on the same wafer by doping

sections of the wafer this is known as

complementary MOS because a gate voltage

which turns a p-channel transistor on

turns an N channel transistor off to

illustrate this complementary switching

a top view shows current flowing through

the P channel transistor in the upper

left a voltage signal entering the gate

electrode turns on the complementary end

channel transistor allowing charges to

drain through this opens the lower set

of P channel transistors so the current

flows through them in this way

electrical signals can rapidly propagate

through a complex maze of switches

[Music]

designing these circuits requires

software and hardware tools like

computer aided design and computer aided

engineering after circuit designers

complete each block of circuitry the

computer checks for accuracy based on

geometrical and electrical design rules

a mask designer takes the circuit

schematic and manually lays out the

channels in each layer of the mask and

generates a master blueprint these

drawings are usually four or 500 times

the actual size of the chip and enable

engineers to visually check for errors

this information is electronically fed

into a computer controlled electron beam

machine

in an ultra clean environment a fine

electron beam will etch the patterns

onto a series of chrome-plated glass

plates

after the glass plates are etched they

become the masks that are used to

transfer the circuit patterns onto the

wafer each mask is inspected to ensure

the patterns are good the masks undergo

a final wash in acids before they are

carefully packaged the following

simplified sequence shows how masks are

used to build transistors step-by-step

the first mask creates a well of doping

so that the neighboring n-type and

p-type substrates exist on the same

wafer the P and n channel regions are

specified and electrically isolated by

the growth of silicon dioxide next the

gate electrodes which turn the

transistors on and off are formed masks

number four and five to find the source

and drain regions of the n-channel and

p-channel transistors the next mask

defines the contact holes which will

enable the aluminum wiring used to

interconnect the individual transistors

to contact the source drain and gate

region of each transistor most

integrated circuits use from 12 to 25

masks depending on the complexity of the

circuit and the type of process

and now let's go into a research

laboratory and follow a very simplified

version of a CMOS fabrication process

from start to finish a complex process

may involve hundreds of individual

operations and may take a number of

weeks to complete

to have a successful run control of

contamination is extremely important

it takes just a few microscopic dust

particles to drastically reduce the

yield of effective semiconductor devices

the equipment gases and chemicals that

come in contact with the silicon wafers

must also be of the highest purity and

free of contamination

to start CMOS fabrication p-type wafers

with a specific resistance are selected

all types of integrated circuits

including CMOS are fabricated using four

basic techniques formation of thin

layers of silicon dioxide introduction

of dopant atoms deposition of a variety

of insulating and conductive materials

and precision patterning of each of

these layers before the process begins

the laser scribed identification number

of each wafer is recorded

we start by cleaning the wafers in hot

acids hydrochloric acid sulfuric acid

hydrogen peroxide ammonium hydroxide

that's what it takes to remove all the

organic and metal contaminants

this cleaning procedure is repeated

throughout the process to make sure the

surface of the wafer stay absolutely

clean the wafers are rinsed in deionized

water and spun dry in filtered nitrogen

gas

in a vertical furnace high temperatures

will be used to grow a layer of silicon

dioxide silicon dioxide is a glass-like

insulator which protects the silicon

substrate beneath it

from unwanted reactions

[Music]

pure oxygen reacts with the silicon

surface in a hot furnace to grow a thin

layer of silicon dioxide this process is

similar to the way the sun's heat and

the airs oxygen turned the shiny new

paintjob of a car to a dull coat over

the years the silicon dioxide layer will

be etched and used as a stencil to dope

specific regions of the wafer

but first the pattern for the stencil is

applied to the silicon dioxide through a

photographic technique called

photolithography the first mask pattern

will be transferred onto the wafer using

photoresist a material which is

sensitive to light

in slow motion we can see the thick

photoresist which is a resin dissolved

in solvents evenly spread over the

surface the wafers transfer to heating

plates and bake at low temperatures to

evaporate