基礎技術解説リソグラフィ

薄膜の加工技術とが半導体集積回路の発展

コンピュータの進歩は目覚ましく、インターネット等のIT技術の発展に伴い、私たちの生活に欠かせないものとなっている。今では一人ひとりが携帯用コンピュータを所有し、いつどこでも必要な情報を得るとともに発信することができる。コンピュータの歴史は長く、長年改良を何度も繰り返して現在の高性能を実現している。最初に普及したコンピュータ(計算機)は、下の左図のような多数の歯車の組み合わせを利用した回転式計算機であった。また、この計算機の主な機能は四則演算であった。初期のころは、写真のようにハンドルで歯車を回転させていたが、その後、電動機で回転させる機構に改良された。そのため、計算機という単語には「機」という語が用いられている。現在の最先端のコンピュータも多くの電子部品から構成されている。コンピュータの進歩には、下の右図のようなLSI(Large Scale Integrated circuit)と呼ばれる集積回路素子の技術が大きく貢献してきた。コンピュータに使用されるLSIには、CPU(central processing unit)という演算を主体とするものと、RAM(random access memory)やROM(read only memory)と呼ばれる情報を記憶するメモリ素子とがある。計算時には、多くのデータのやり取りを行うため、CPUやメモリの動作速度が計算速度に大きく影響する。

回転式計算機(タイガー社製)
回転式計算機(タイガー社製)
コンピュータのCPUとしてのLSIチップ
コンピュータのCPUとしてのLSIチップ

このLSIは多くの微細なトランジスタから構成されている。トランジスタは1948年にショックレーらによって発明された。当時はゲルマニウムという半導体の単結晶に針電極を接触させた構造であった。その後、世界中の研究者が改良を重ねて、トランジスタの革新的な実用化技術が次々と誕生した。現在、トランジスタの誕生から約60年が過ぎたが、コンピュータの飛躍的な発展とともに世の中が大きく変化した。コンピュータの計算方式は、1と0の信号を扱う2進数で構成されている。この2進数の機能は、下の左図のようなインバータとよばれるトランジスタ回路によって実現されている。インバータ回路を用いることで、トランジスタ回路をONとOFFを制御するスイッチとして動作させることができる。実際のLSIに用いられるトランジスタは、下の右図のようなMOS(metal oxide semiconductor)型トランジスタが主流となっている。MOS型トランジスタは、ソース(source)とドレイン(drain)と呼ばれる電極と、その中間に位置するゲート(gate)電極で構成されている。MOSとは、トランジスタのゲート部が、金属(meta)-酸化膜(oxide)-半導体(semiconductor)の積層構造を有していることを意味している。

インバータの基本回路
インバータの基本回路
MOS型トランジスタ(NMOS)
MOS型トランジスタ(NMOS)

通常、MOSトランジスタの半導体基板にはシリコン単結晶が用いられる。MOSトランジスタの動作時には、下の左図のようにソースから放出された電子が、

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以下のような図や解説が続きます。

  • [図]スイッチング動作時のチャネル内の電子移動
  • [図]CMOSインバータ回路
  • [図]微小固体のサイズと特徴
  • [図]LSI基板上の欠陥(微粒子と塗布むら)
  • [図]クリーンルーム(クラス1000)
  • [図]クリーン服の装着(学生実験状況)
  • [図]作製したマイクロポンプデバイス
  • [図]マイクロポンプデバイスの基本構造(ダイヤフラム搭載型)

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