半導体工場建設における課題とは？事例から読み解く解決策 | 工場建設パーフェクトガイド

半導体工場建設における課題とは？事例から読み解く解決策

公開日：2024.09.27　更新日：2024.09.27

半導体の需要は技術革新により今後も増加が見込まれ、通信、自動車、生成AIなどの分野で特に需要が高まっています。ある半導体工場の建設では、製品精度を高めるためにクリーンルームや振動対策を取り入れました。

最新技術を用いたISOクラス1のクリーンルームでは、微細な粒子を徹底的に排除し、温度や湿度も厳密に管理されています。振動対策として、防振ゴムや除振システムを導入し、工場内外の振動を最小限に抑えています。

さらに、先組み工法によって、工期短縮とコスト削減を実現し、事前に組み立てた部材を現場で効率的に設置することで施工精度も向上させています。

半導体の需要はまだ続く？

半導体産業は、技術革新の進展に伴い、その重要性がますます高まっています。これにより、半導体工場の立地や建設計画がさらに加速することが期待されています。

◇半導体の需要は増加する見込み

2024年、半導体の需要はますます加速する見通しです。特に通信、自動車、生成AIといった分野での成長が期待されており、それぞれの産業での技術革新が、半導体需要を押し上げる要因となっています。

例えば、6G通信や次世代ICT基盤である「IOWN」など、次世代通信技術の発展は、より高性能でエネルギー効率の良い半導体が必要不可欠です。また、生成AIの発展は、高性能な専用AIチップや次世代GPUの需要を生み出し、同様に自動運転や電動化の進む自動車分野でも、パワー半導体の需要が拡大するでしょう。

このように、各産業の技術進歩に伴い、半導体の需要は引き続き増加すると見込まれています。

◇政府も半導体工場建設を促進

政府は、国内での半導体生産強化を目的に、半導体工場の建設を積極的に支援しています。これに伴い、土地利用に関する規制緩和が進められており、市街化調整区域においても、自治体が工場建設を許可できるようにする動きが見られます。

さらに、農地転用手続きの期間を通常の1年から約4か月に短縮することを検討しており、これにより工場建設がより迅速に進むことが期待されています。加えて、政府は資金面での支援も強化しており、2024年に予定されている大規模な半導体工場の建設に向けて、総額数千億円規模の補助金を投入しています。

このような支援策によって、国内の半導体産業が再び成長し、国際的な競争力を高めることが目指されています。

◇半導体工場に適した土地とは

半導体工場を建設する際、立地条件は重要な要素です。まず、半導体製造には大量の純水が必要であり、周辺に水質が良い水源が確保できる地域が適しています。

加えて、製品の輸送を効率化するために、高速道路や空港、港湾などの交通インフラが整備された場所も望ましい条件のひとつです。さらに、関連企業が集積する地域は、部品調達や技術交流が容易になるため、半導体工場にとって理想的な環境といえるでしょう。

たとえば、九州地方の「シリコンアイランド」や、東北地方の「シリコンロード」は、半導体産業の集積地として知られており、新たな工場建設に適した土地とされています。このように、立地選定は半導体工場の効率的な運営と競争力強化に直結する重要な要素です。

半導体工場に求められる要素

半導体工場の建設においては、製品の品質を保つために精密な環境管理が欠かせません。特に、ケミカル（化学的）汚染や振動の影響を抑えることが、安定した生産と高精度な半導体製造を実現するための重要な課題となっています。

◇ケミカル汚染を抑える

半導体工場における製造プロセスは極めて精密であり、外部からの微量なケミカル汚染が大きな問題を引き起こします。特にシリコンウェハにナノスケールで回路を形成する際、汚染物質がウェハの表面に付着すると、製品不良や性能劣化の原因となりかねません。

半導体製造に関わる環境では、化学物質やガスの混入が最小限に抑えられる必要があり、そのためクリーンルーム内では「ケミカル汚染物質」の濃度が厳しく管理されています。

このような環境を維持するために、汚染物質の除去装置やフィルターが設置され、特に空気中に漂う微細な化学物質を取り除く「SACCユニット」などが活用されています。これにより、半導体の製造工程が汚染によって妨げられるリスクが低減され、高品質な製品を安定的に生産することが可能となります。

また、ケミカル汚染の対策は工場全体において計画的に実施されるべきで、単なるクリーンルームの設置だけでなく、空調設備や周辺環境のケミカル管理も重要です。特に、化学物質の使用が不可欠な工程では、汚染物質の発生源を特定し、拡散を防ぐ対策が求められます。

こうしたケミカル汚染対策が徹底されることで、半導体製品の精度や信頼性が向上し、国際競争力の強化にもつながるのです。

◇振動を抑える

半導体工場におけるもう一つの大きな課題は、振動の影響を抑えることです。振動は製造機器や測定機器に直接的な悪影響を与え、微細な半導体回路の形成や検査精度に重大な支障をきたします。

例えば、道路の交通や隣接する工場から発生する振動が建物に伝わると、数ナノメートル単位の精密な作業が不可能になることもあります。

このため、半導体工場では「除振」や「防振」の技術が不可欠です。除振とは、外部から伝わる振動を建物や設備に影響を与えないよう遮断することで、防振は、工場内部で発生する振動が外部に伝わらないようにする技術です。

具体的には、建物全体の設計段階から振動対策が講じられ、ばねやゴム、空気などを利用した除振台や防振材が活用されます。

また、半導体製造ラインの振動対策には、床下に防振構造を組み込むことが多く見られます。これにより、工場の稼働中に発生する小さな振動も確実に抑えられ、安定した生産活動を可能にします。振動対策がしっかりと施された環境は、製造機器の精度を高め、生産効率の向上にも寄与します。

短工期・ローコスト・高品質の半導体工場を叶えた事例

半導体業界では、短工期・ローコスト・高品質の工場建設が求められる中で、いくつかの重要な技術や工法が導入されてきました。

本章では、実際に導入された事例を通じて、最高レベルのクリーンルーム構築、微振動を抑える基礎工事、そして先組み工法を活用して納期とコストを削減する方法について説明します。

◇最高レベルのクリーンルーム

半導体工場において、クリーンルームの品質は製品の精度を左右する重要な要素です。特に、ナノレベルの回路設計を行うには、微小な塵やケミカル汚染物質の混入を極限まで防ぐ必要があります。

ある半導体工場の建設プロジェクトでは、最新の空気清浄技術を用いてISOクラス1に準じた最高レベルのクリーンルームが構築されました。この環境では、微細な粒子すらもフィルタリングされ、空気中の微粒子がシリコンウェハに影響を与えるリスクが極めて低減されます。

さらに、クリーンルーム内の温度や湿度の厳密な管理も実施され、設備の動作によって生じる熱や環境変化を即座に補正できるシステムが導入されました。こうした高度なクリーンルームの設計によって、半導体製造の効率と製品の品質が飛躍的に向上したといえるでしょう。

◇微振動を低減する基礎

半導体製造において、微細な振動は製品の品質に重大な影響を与えます。特に、製造過程でナノメートル単位の精度が要求されるため、工場の基礎から伝わる振動は最大限に抑える必要があります。

同工場では、防振ゴムや専用の除振システムが組み込まれた基礎設計が採用されました。これにより、外部からの振動や工場内で稼働する大型機械の振動が、製造設備に影響を与えることなく抑制されました。

この基礎工事では、床下に設置された特殊な防振素材が、細かな揺れを吸収する構造となっており、振動の影響を最小限に抑えています。

さらに、設備の稼働状況に応じて振動をリアルタイムでモニタリングし、必要に応じて調整が行われる仕組みも導入されています。このように、徹底した振動対策が半導体製造の精度を保つために非常に効果的であることが確認されています。

◇納期とコストを削減する先組み工法

半導体工場の建設には、高精度かつ迅速な施工が求められます。そのため、近年採用されている先組み工法は、工期を短縮しコストを削減するために有効な方法です。

この工法では、鉄筋や柱などの構造部材を現場で組み立てるのではなく、別の場所で事前に組み立てておき、クレーンで現場に設置する手法が取られています。この方法により、工事現場での作業時間が大幅に削減され、天候などの外的要因による工期の遅延リスクも低減されます。

さらに、事前に組み立てられた部材は工場での精密な管理のもと製造されるため、施工精度が向上し、全体の品質管理も容易になります。これにより、プロジェクトの進行が円滑に進み、結果として納期とコストの削減が実現しました。

躍進を支える半導体工場

半導体業界は、急速に拡大する需要に対応するため、新たな製造拠点の建設や技術革新が進んでいます。特に、半導体製造に欠かせない露光装置は、技術の進化とともにその重要性が増し、業界全体の成長を支えています。

◇半導体事業が拡大

半導体の需要が急激に増加する中、製造拠点の拡大が進んでいます。

ある企業は半導体事業に携わっており、もともと1か所で行っていた生産を次々に増設し、今では同様の製造拠点が4か所にまで広がりました。この拡大により、製造能力が飛躍的に向上し、供給不足に対応できるようになっています。

さらに、半導体製造装置メーカーとしての地位も確立しており、特に露光装置の分野で高い技術力を誇ります。露光装置は、半導体の基板上に微細な回路を形成するための重要な役割を果たし、その精度が半導体の性能を大きく左右します。

このような背景から、国内外で半導体工場の増設が続き、各国のサプライチェーン強化にも貢献しています。半導体業界は今後もさらなる成長が見込まれ、製造装置の進化とともに拠点の拡大も続くことでしょう。

◇新技術で半導体露光装置がますます進化

半導体製造に欠かせない露光装置は、新技術の導入により絶えず進化しています。露光装置は、半導体基板に微細な回路を焼き付けるための機械であり、技術の発展に伴いその精度と速度が向上しています。

従来の2次元の設計から3次元構造への移行が進む中、露光技術もその複雑さに対応できるレベルに達しつつあります。例えば、新たに開発された露光装置では、歪みを精密に検出し、回路の焼き付け時に補正を加える技術が導入されており、これによりさらなる高精度が実現されています。

また、シリコンに代わる新素材として注目されるシリコンカーバイド（SiC）の登場も、露光装置の進化を後押ししています。SiCは従来のシリコンよりも高い耐熱性と電力効率を持ち、特に電気自動車や次世代電力装置での利用が進んでいます。

これに対応するため、露光装置も新素材に適応した設計や製造プロセスが導入されており、半導体製造の未来を切り開く重要な技術となっています。

半導体の需要は、技術革新に伴い今後も増加が予測されています。特に通信、自動車、生成AIなどの分野において、その需要が急速に拡大しています。

6G通信や次世代ICT基盤の発展は、より高性能でエネルギー効率の高い半導体を必要としており、自動運転技術の進化や電動車の普及は、パワー半導体の需要を大きく押し上げています。これにより、各産業での成長が半導体市場全体をさらに拡大させる要因となっています。

この半導体の需要拡大に対応するため、政府も積極的な支援策を打ち出しています。国内の半導体生産を強化するために、土地利用に関する規制緩和が進められ、特定の市街化調整区域での工場建設が許可されるなど、柔軟な土地利用が可能になっています。

さらに、農地転用手続きの迅速化も図られ、従来1年かかっていたプロセスが約4か月に短縮される見込みです。こうした取り組みは、工場建設のスピードアップとコスト削減を実現し、半導体生産基盤を強化する重要な施策となっています。

半導体工場の立地条件にも特別な配慮が必要です。半導体製造には、大量の高純度な水が不可欠であり、良質な水源が確保できる地域が理想的です。また、製品の迅速な輸送を実現するためには、高速道路、空港、港湾などの交通インフラが整備された地域が望ましいです。

半導体工場の建設においては、製品の精度を向上させるために、クリーンルームの品質や振動対策が非常に重要です。

ある工場では、最新技術を駆使したISOクラス1対応のクリーンルームでは、微細な粒子を徹底的に排除し、内部の温度や湿度も厳密にコントロールされています。これにより、半導体製造に必要な高度な環境が整えられています。

さらに、振動による製造プロセスへの影響を抑えるため、工場には防振ゴムや高度な除振システムが導入されています。これにより、工場内外からの振動が最小限に抑えられ、製造の安定性と精度が確保されています。

加えて、工期の短縮とコスト削減を図るために、先組み工法が採用されています。この工法では、主要な構造部材を事前に組み立てておき、現場で効率的に設置することで、施工精度の向上とともにプロジェクトの進行をスムーズに進めています。