JAXA・産総研

少量生産システム（ミニマルファブ）で宇宙用の集積回路の製造が可能に

　宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）と産業技術総合研究所（産総研）は、少量生産システム（ミニマルファブ）の宇宙開発利用に係る共同研究を実施しており、ミニマルファブで宇宙用を視野に入れた集積回路が製造可能であることを世界で初めて実証した。

　産総研は、「Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１８」と呼ぶフルミニマルＳＯＩ−ＣＭＯＳ　２層アルミ配線プロセスを開発。ＪＡＸＡは１千トランジスタ規模の集積回路（４ビットシフトレジスタおよびＩ／Ｏ回路）を設計し、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１８を用いて試作し、回路の正常な動作を確認することに成功した。

　人工衛星などの宇宙機に使用される集積回路の数量規模は、１機当たり数個―１００個のオーダー。年間数百万台というような大量生産を必要とする民生機器市場をターゲットとする従来の半導体製造方式では、チップ当たりのコストが大変高くなるため、宇宙機向けに必要な極少量のデバイス供給システムが望まれている。

　一方、半導体産業全体においても、より大量生産を目指してウエハー、装置、ファブ（生産装置）の大型化が加速している。その開発投資とファブ設備投資の費用は巨大化しており、巨大投資に見合うデバイス種はますます限られてきた。結果として、宇宙開発に限らず、デバイス種全域において、大量生産される予定のないデバイスは、開発も製造も不可能となりつつある。

　ミニマルファブは、こうした問題を解決する超小型デバイス生産システム。既にミニマルファブは商用販売されているが、これまで単体トランジスタや小規模な発振回路の製造実績しかないため、数百トランジスタ規模を超える集積回路の開発および製造実証が課題となっていた。

　ミニマルファブによる集積回路開発に向け、まず、産総研が集積回路の利用に耐える実用トランジスタの開発を行った。１３年にミニマルファブだけを用いるフル・ミニマルファブ・プロセスによってトランジスタの試作と動作に成功していたが、１８年、実用性を向上させたトランジスタを開発した。

　集積回路においてトランジスタの配線は複雑で多量なため、２層以上の配線層が必要となるが、今回、２層アルミ配線プロセスも開発。この総合トランジスタ技術をＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１８と命名した。

　宇宙機には様々な種類のデバイスが搭載されている。宇宙機搭載用集積回路へのミニマルファブの利用が可能かどうかを検証するに当たり、宇宙機システムの実現に必要な論理回路の一つであるＮＡＮＤゲートの検証、さらに集積回路の検証が重要であるという認識の下、この共同研究が進められた。

　ＪＡＸＡは、最初にＮＡＮＤゲートを設計、試作し、動作に成功。次に１千トランジスタ規模の集積回路を設計、試作し、正常な動作を確認することに成功した。同集積回路には、宇宙機への適用に不可欠な耐放射線集積回路が製造可能かどうかを実証するため、４ビットシフトレジスタのＤフリップフロップにクロックゲートタイプを採用した。

　ミニマルファブを使用するウエハー製造では、回路設計者自身がウエハーを１枚ずつ入れる密閉容器「ミニマルシャトル」を持ってミニマルファブの各装置を回り、ミニマルシャトルを各装置に装着するというプロセスを経て、集積回路を試作した。設計者自らがウエハーを用いて、全製造装置を駆動し集積回路を作ったのは世界で初めての成果となる。

　同成果は、通常よりも約１０倍速いミニマルファブの超高速プロセッシングと、クリーンルーム不要の局所クリーン化、歩留まり向上のためのクリーンウエア着用が不要なこと、新しい装置オペレーション機能が開発されたことで得られた。