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成果報告書詳細
管理番号20170000000466
タイトル平成28年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討 IIIーV族化合物半導体デバイスへのミニマルファブ適用の実用化開発に係る課題の調査
公開日2017/7/6
報告書年度2016 - 2016
委託先名横河ソリューションサービス株式会社
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約本調査研究事業では、省エネルギー効果の高い半導体生産システムであるミニマルファブを化合物半導体に適用させた場合の市場の把握と、普及に伴う省エネ効果量の算出、並びに適用にあたり主要な開発アイテムである蒸着装置の技術課題の洗い出しを目的に以下の調査を行った。

市場調査と省エネルギー効果量算出 
化合物半導体の設備市場は決して小さなものではなく、今後製品市場の拡大に伴い伸張するものと予測するが、巨大市場であるシリコン半導体に比較すれば小さな市場であることから、過去詳細に調べられたことがなく情報が少ない。
従って市場調査は専門の調査会社でなければ難しく、本調査では外部の調査会社を使い、化合物半導体分野におけるミニマルファブの市場性を明らかにすると共に、その結果を基に省エネ効果量の算出を行った。
化合物半導体におけるミニマルファブの主な市場は、以下の項目が想定される。
   
1.情報通信用並びにプロジェクタ用レーザダイオード
2.GaNパワーデバイス
3.車載用高輝度LED、UV LED
4.携帯基地局用高周波デバイス

調査の結果、各々の市場における2030年までのミニマルファブのストック量は累計で  35ファブと予想し、それを基に算出した省エネ効果量は原油換算で8.482万kLとなった。

蒸着装置の要素技術明確化
化合物半導体デバイスの電極形成において蒸着装置は不可欠であるが、ミニマルファブではシリコン半導体の生産をメインに開発が進められた結果、シリコン半導体では使われない蒸着装置の開発はされていない。
更にミニマル仕様の0.5インチウェハに、既存の蒸着装置を併用して蒸着する場合、幾つかの問題点があり現状ではミニマルファブを化合物半導体の製造に適用することができない。
従いミニマルファブを化合物半導体に適用するにはミニマル仕様の超小型蒸着装置の開発は必須だが、既存の蒸着装置は大きい上に、バッチ処理が一般的であり、ミニマルサイズの超小型化と枚葉処理を実現するには、多くの課題が想定される。
本調査ではその技術課題と解決手段について調査を行い、開発の実現性と予算、装置仕様等について検討を行った。
当初、従来生産で使われていた方式での小型化を検討したが、付帯装置が大き過ぎて小型化が難しいことが分かり、更に調査を進めたところ、主にR&D用途で使われていた高耐熱のカーボン製坩堝を電子ビームで加熱し、内部の金属材料を溶解・蒸発させる方式が、小型化に有望な事が分かった。
この方式による実験用の蒸着装置を試作しサンプル評価を行った結果、良好な成膜特性が得られ、リフトオフプロセスも実現できたことから、ミニマル仕様を満たす小型化開発の目途が立った。
英文要約Title: Strategic Innovation Program for Energy Conservation Technologies/ Research for the Important Technologies of Energy Efficiency Projects/ Research Investigation for Problems on Practical Development of “Minimal Fab” Applied for the III-V Compound Semiconductor Devices Fabrication FY2016 Final Report

In this research project, we aimed to applly Minimal-fab system to fabricate the compound semiconductor devices by developing required elemental technology to realize energy conservation.
For this purpose, we investigated the following two items to asses the market of compound semiconductor devices and clarify the technical issues of evaporator by Minimal-fab.

Market research and estimate amount of energy conservation effect
The tool market for compound semiconductor devices is not so small and will be expected to expand as increasing the demand in product market, however, for its small size market compared to huge silicon semiconductor market, there was little result to investigate the market of compound semiconductor devices in detail.
Therefore, we have outsourced market research firm to clarify the marketability of Minimal-fab system for fabricating the compound semiconductor devices and estimated amount of energy conservation effect based on the research results.
We suppose that the following devices could be applied to Minimal-fab fabrication in the compound semiconductor market.

1. Laser diode for projector, information and communications
2. GaN power device
3. High brightness LED and UV-LED for automotive application
4. RF devices for portable base station

As a result of marketing research, we estimated to 35Fabs for the stock amount of Minimal-fab system installed until 2030 and also calculated amount of energy conservation effect to 84.82milion litter of crude oil equivalent.

Clarification of the technical issues (elemental technologies) on the evaporation tool
It is necessary to apply evaporator for metallization process of compound semiconductor devices.
Since Minimal-fab system has been mainly developed with silicon devices in mind, the evaporator has not been started its development.
0.5inch (12.5mm) wafer used in Minimal-fab cannot be processed in the existing evaporator, so currently, Minimal-fab system cannot be applied to fabricate compound semiconductor devices.
Therefore evaporator with specifications of Minimal-fab must be developed for compound semiconductor, however there are many challenges, for example miniaturization and single wafer processing.
In this research, we investigated the technical issues and its solution to assess the possibility of development, the specification of the tool and required budget.
At the beginning, we found that ancillary facilities of conventional evaporator were too large to miniaturize as it is. Instead, it was effective for miniaturization to melt the metal in the carbon crucible heated by electron beam directly.
In applying this method to actual evaporation process, we could achieve good film property and realize lift-off process stably.
In conclusion, we are convinced that we can develop the evaporator to be satisfied the specifications of Minimal-fab.
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