原子を運び、薄膜を作る――CVD・PVD・ALDからエピタキシャル成長、選択成膜まで

$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T03$ R. L. Puurunen / Journal of Applied Physics 97, 121301 (2005)：TMA／H₂O表面化学の原著レビュー（2005）
$T05$ Applied Materials：PVDの基本（参照 2026-10-23）

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比較項目／PVD

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{比較項目}&\text{PVD}\cr\hline \text{日本語名称}&\text{物理気相成長}\cr\hline \text{材料の供給方法}&\text{固体材料などから原子を放出}\cr\hline \text{膜になる仕組み}&\text{物理的に移動した原子・分子が堆積}\cr\hline \text{膜厚制御}&\text{電力・時間・材料流束}\cr\hline \text{深い構造への被覆}&\text{方式により制約が大きい}\cr\hline \text{主な利点}&\text{金属成膜、比較的高い成膜速度}\cr\hline \text{主な弱点}&\text{高アスペクト比形状への被覆}\cr\hline \text{代表用途}&\text{配線、バリア、シード膜}\cr\hline \end{array}

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比較項目／CVD

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{比較項目}&\text{CVD}\cr\hline \text{日本語名称}&\text{化学気相成長}\cr\hline \text{材料の供給方法}&\text{気体・蒸気の前駆体を供給}\cr\hline \text{膜になる仕組み}&\text{熱やプラズマなどで化学反応}\cr\hline \text{膜厚制御}&\text{温度・時間・反応速度・ガス供給}\cr\hline \text{深い構造への被覆}&\text{レシピ次第で良好}\cr\hline \text{主な利点}&\text{多様な材料、膜質と生産性の両立}\cr\hline \text{主な弱点}&\text{反応条件と輸送の両立}\cr\hline \text{代表用途}&\text{絶縁膜、金属膜、厚膜}\cr\hline \end{array}

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比較項目／ALD

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{比較項目}&\text{ALD}\cr\hline \text{日本語名称}&\text{原子層堆積}\cr\hline \text{材料の供給方法}&\text{前駆体・反応物を順次供給}\cr\hline \text{膜になる仕組み}&\text{表面反応の飽和を利用}\cr\hline \text{膜厚制御}&\text{主にサイクル数と1サイクルの成長量}\cr\hline \text{深い構造への被覆}&\text{適切な条件では非常に良好}\cr\hline \text{主な利点}&\text{極薄膜と複雑な形状の精密制御}\cr\hline \text{主な弱点}&\text{サイクル時間、前駆体供給、核生成}\cr\hline \text{代表用途}&\text{High-k膜、金属ゲート、DRAMキャパシタ、3D構造}\cr\hline \end{array}

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ここで注意したいのは、ALDとCVDの関係である。

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ALDは化学反応を利用して気相から材料を形成するという点でCVDに近い。文献や企業によってはCVDに関連する技術として整理される。

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しかし、通常の連続供給型CVDと異なり、ALDは反応物を時間的または空間的に分離し、表面反応が飽和する性質を利用する。

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このため、装置・量産技術としては独立した方式として扱うのが適切である。

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また、ALDでは一周期ごとに必ず完全な一原子層が形成されるわけではない。この点は後で詳しく説明する。

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1-3　エピタキシーと選択成膜は分類の観点が異なる

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ここで、さらに二つの言葉を整理しておく。

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エピタキシャル成長（Epitaxy）は、下地の結晶配列に対応した結晶膜を成長させる技術である。

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選択成膜（Selective Deposition）は、特定の材料や領域で成膜を進め、別の領域では成膜を抑制する技術である。

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つまり、次のように分類できる。

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{分類する観点}&\text{技術}\cr\hline \text{どのように材料を運び、堆積させるか}&\text{PVD・CVD・ALD}\cr\hline \text{どのようなエネルギーや条件で反応させるか}&\text{熱CVD・LPCVD・PECVD・PEALDなど}\cr\hline \text{どのような結晶を作るか}&\text{エピタキシャル成長}\cr\hline \text{どの場所に膜を形成するか}&\text{選択成膜}\cr\hline \end{array}

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エピタキシャル成長はCVDやMOCVDで実行することもあれば、分子線エピタキシー（MBE）のように物理的なビームを利用する方法もある。

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また、選択成膜はCVDやALDで実行できるほか、選択エピタキシーという形でも使われる。

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したがって、これらはすべてが競合する技術ではない。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）

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同じ装置の中で「CVDによって、シリコンが露出した部分だけに、結晶性のSiGe膜を成長させる」という組み合わせも成立する。

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第2節　加工前後の姿――平坦な膜から三次元構造へ

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2-1　最も簡単な成膜

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まず、平坦なシリコンウエハを考える。

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加工前はシリコン表面が露出している。

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加工後には、例えば厚さ20nmの酸化シリコン膜が形成されている。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

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単純に考えれば、材料を供給して一定時間保持することで膜を作ればよい。

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しかし、実際にはウエハの中央と端で厚さが変わる可能性がある。

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膜に不純物が混入することもある。膜の密度や内部応力が均一でない場合もある。

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膜厚だけを測定しても、品質が十分とは限らない。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

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2-2　深い溝では何が難しくなるのか

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次に、幅20nm、深さ200nmの溝を考える。

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深さを幅で割ったアスペクト比は10:1となる。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$P03$ C. Gonsalves ほか：HAR内輸送とGPCの研究（2026-09-11／プレプリント）

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上から材料を飛ばすPVDでは、溝の底や側壁に材料が到達しにくい場合がある。

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CVDでは気体が構造内部に入り込めるが、入口付近で反応が進みすぎると底部まで十分な原料が到達しない可能性がある。

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ALDは、前駆体が内部に届き、表面反応が飽和する条件を満たせれば、側壁や底面まで比較的均一な膜を形成できる。

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ただし、ALDにも制約がある。

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深い構造へ前駆体を送り込むには時間が必要であり、反応物の供給量やパージ時間が不足すれば、底部の膜厚が不足する。

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ALDという名称だけで完全な被覆が保証されるわけではない。

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2-3　均一に覆うことと、完全に埋めること

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ここで二つの性質を区別する必要がある。

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コンフォーマリティとは、複雑な表面形状に沿って膜を形成する能力である。

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ギャップフィルとは、溝や穴を空洞なく充填する能力である。

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側壁を完全に覆える膜でも、成膜が進むと入口が閉じて内部に空洞が残る場合がある。

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この空洞をボイドと呼ぶ。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）
$N03$ Lam Research：Mo ALDの認定・立ち上げ状況（2025-02-19）

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ボイドは、配線の抵抗上昇、断線、機械的な信頼性低下などにつながり得る。

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2-4　結晶を成長させる場合は、さらに難しい

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エピタキシャル成長では、単に材料が付着するだけでは不足する。

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下地の結晶に対応した配列を保ちながら、新しい原子を組み込む必要がある。

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異なる結晶格子を持つ材料を成長させる場合には、格子不整合によってひずみや転位が生じる可能性がある。

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したがって、平坦な膜、深い構造への被覆、空洞のない充填、結晶構造の維持は、それぞれ異なる技術課題なのである。

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第3節　必要な基礎知識――原子、真空、表面反応、結晶

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3-1　気体分子はどのように移動するのか

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成膜装置では、気体や蒸気が材料を運ぶ役割を担う。

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気体分子は空間を移動し、互いに衝突する。

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圧力を下げると分子の密度が減り、次の衝突までに移動する平均距離が長くなる。

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これを平均自由行程と呼ぶ。

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理想的な硬球気体モデルでは、

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\lambda=\frac{k_BT}{\sqrt{2}\pi d^2P}

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と表せる。

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ここで、λは平均自由行程、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度、dは分子の有効直径、Pは圧力である。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T05$ Applied Materials：PVDの基本（参照 2026-10-23）
$P03$ C. Gonsalves ほか：HAR内輸送とGPCの研究（2026-09-11／プレプリント）

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$P03$ C. Gonsalves ほか：HAR内輸送とGPCの研究（2026-09-11／プレプリント）

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つまり、ほかの条件が同じであれば、圧力が低いほど分子は衝突せずに長い距離を移動しやすくなる。

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PVDでは、放出された原子がウエハへ到達するまでの衝突が重要である。

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CVDやALDでは、原料分子を表面へ輸送し、その場所で反応させることが重要になる。

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ただし、減圧すればすべての成膜方式の性能が向上するわけではない。必要な反応速度やプラズマ状態も変化するためである。

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3-2　吸着と脱離

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気体分子が表面に到達すると、そのまま反射する場合、表面に吸着する場合、反応する場合などがある。

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吸着は、分子が固体表面に留まる現象である。

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吸着した分子が表面から離れることを脱離と呼ぶ。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T03$ R. L. Puurunen / Journal of Applied Physics 97, 121301 (2005)：TMA／H₂O表面化学の原著レビュー（2005）

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CVDでは、吸着した分子の分解や化学反応によって膜を成長させる。

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ALDでは、反応できる表面部位が限られる性質を利用し、一定量以上の反応が進みにくくなる条件を作る。

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この違いが重要になる。

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3-3　温度と化学反応

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化学反応は、温度によって速度が変わる。

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反応速度定数の温度依存性は、単純化するとアレニウス型の式で表せる。

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k=A\exp\left(-\frac{E_a}{k_BT}\right)

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Eaは活性化エネルギーである。

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高温では反応を進めやすくなる場合があるが、すでに形成した半導体構造が熱によって変化する恐れもある。

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このため、成膜には熱履歴の制約が存在する。

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特に低温で形成しなければならない絶縁膜や先端実装材料では、PECVDやPEALDが重要になる。

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3-4　プラズマとは何か

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プラズマは、電子やイオンを含む電離した気体の状態である。

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電界によって加速された電子が気体分子に衝突すると、分子が分解され、ラジカルと呼ばれる反応性の高い粒子などが生成される。

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プラズマを利用すれば、熱だけでは進みにくい反応を促進できる。

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ただし、イオンの衝撃や放射などによって、半導体表面に損傷が生じる可能性もある。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）

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したがって、プラズマによる反応促進と、表面損傷を抑える技術は一体で考える必要がある。

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3-5　結晶と格子

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固体には、原子が周期的に並んだ結晶と、長距離にわたる規則的配列を持たない非晶質がある。

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半導体では結晶構造が電気的性質に大きく影響する。

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シリコンの結晶上にシリコンを成長させる場合、適切な条件であれば、下地の結晶配列を引き継いで成長できる。

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これがホモエピタキシャル成長である。

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一方、シリコン上にSiGeなど別の材料を成長させる場合、ヘテロエピタキシャル成長となる。

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異なる格子定数を持つ材料を組み合わせると、ひずみが生じることがある。

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格子不整合を単純化して、

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f=\frac{a_{\mathrm{film}}-a_{\mathrm{sub}}}{a_{\mathrm{sub}}}

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と表す。

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a_filmは成長膜の格子定数、a_subは下地の格子定数である。

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主な参照資料：

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$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$P01$ imec：GAAの低温SiGeソース・ドレイン研究例（研究例／量産一般値ではない）

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ひずみは必ずしも悪いものではない。

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適切に制御すれば電子や正孔の移動しやすさを変えられるため、トランジスタの性能改善に利用できる。

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しかし、膜が厚くなりすぎたり、成長条件が適切でなかったりすると、転位などの結晶欠陥によって応力が緩和される場合がある。

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第4節　PVD・CVD・ALD・エピタキシー・選択成膜の原理

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4-1　PVD――原子を物理的に飛ばす

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PVDの代表的な方式には、真空蒸着とスパッタリングがある。

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真空蒸着では、材料を加熱するなどして気化させ、基板の表面に堆積させる。

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スパッタリングでは、ターゲットと呼ばれる固体材料にイオンを衝突させ、原子を放出させる。

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代表例として、アルゴンガスを利用するスパッタリングを考える。

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装置内部へアルゴンを導入し、プラズマを生成する。

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アルゴンイオンが金属ターゲットに衝突すると、金属原子が放出される。

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放出された原子がウエハへ到達し、金属膜を形成する。

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主な参照資料：

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$T05$ Applied Materials：PVDの基本（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）

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この方式は銅、アルミニウム、チタン、タンタルなどの金属成膜で広く使われる。

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ただし、原子が移動する方向の影響を受けるため、極端に深い構造の均一な被覆には制約がある。

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それを改善するため、イオン化PVDなどの技術も使われる。

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PVDの競争力はターゲット材料の純度や組織、プラズマ制御、粒子抑制、成膜速度などに左右される。

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4-2　CVD――気体から固体を作る

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CVDでは、目的の元素を含む気体・蒸気の原料を装置内部へ送り、化学反応によって固体膜を形成する。

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例えば、シランの熱分解によるシリコン成膜を模式的に表すと、

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\mathrm{SiH_4(g)\rightarrow Si(s)+2H_2(g)}

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となる。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）

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実際には複数の反応経路や表面状態が関わる場合があるが、気体の原料から固体の膜を作り、不要な生成物を排出するという仕組みは共通する。

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ここでCVDを難しくするのが、物質輸送と化学反応のバランスである。

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反応速度が速すぎれば、入口付近で原料が消費され、深い構造の内部には十分な量が届かない場合がある。

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逆に反応速度が遅ければ、膜形成に時間がかかる。

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成膜速度、均一性、膜質は、この相互作用によって決まる。

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4-3　LPCVD――低圧で反応条件を制御する

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LPCVDはLow Pressure CVDの略である。

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反応室の圧力を低くして、気相反応や表面反応、原料輸送の条件を調整する。

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窒化シリコンやポリシリコンなど、さまざまな薄膜の形成に利用される。

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縦型炉で複数のウエハをまとめて処理するバッチ方式との相性がよい場合もある。

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ただし、炉内の温度分布やガス分布、ウエハ間のばらつきを抑えることが重要になる。

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KOKUSAI ELECTRICなどは、この縦型バッチ装置を重要な製品領域としている。

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4-4　PECVD――プラズマで反応を促進する

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PECVDはPlasma-Enhanced CVDの略であり、CVDの一方式である。

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従来の熱反応に加え、プラズマが生成する反応性粒子を利用して成膜する。

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これによって、比較的低い基板温度で膜を形成できる場合がある。

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層間絶縁膜、保護膜、ハードマスク、先端パッケージングの絶縁膜などで利用される。

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ただし、プラズマを使えば必ず高品質になるわけではない。

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膜中の水素含有量、膜密度、応力、プラズマ損傷などを制御しなければならない。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T07$ KOKUSAI ELECTRIC：LP-CVD・ALD・熱処理の製品分類（参照 2026-10-23）

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低温化によって解決できる問題がある一方、新しい膜質上の課題が生じるのである。

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4-5　ALD――表面反応を一周期ずつ制御する

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ALDでは、前駆体を交互に供給して膜を成長させる。 ASM：Atomic Layer Deposition

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最も基本的な時間分離型ALDを考える。

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最初に原料Aを導入する。

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Aは表面の反応部位に吸着し、一定の条件下で反応が飽和する。

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次にパージを行い、未反応のAや副生成物を取り除く。

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その後、反応物Bを導入して表面に残った化学種と反応させる。

再びパージする。

この一連の工程を繰り返して膜を形成する。

典型的な一周期は次の4段階である。

主な参照資料：

$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T03$ R. L. Puurunen / Journal of Applied Physics 97, 121301 (2005)：TMA／H₂O表面化学の原著レビュー（2005）

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前駆体Aの供給
パージ
反応物Bの供給
パージ

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ALDの具体例――酸化アルミニウム膜

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酸化アルミニウム（Al₂O₃）のALDでは、トリメチルアルミニウム（TMA）と水を利用する方式がよく知られている。

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表面の水酸基などとTMAが反応し、続く水の供給で表面にアルミニウムと酸素の結合を形成する。

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副生成物としてメタンなどが発生し、これらをパージで取り除く。

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反応は表面に存在する反応部位によって制限される。

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そのため、十分な供給量と適切な温度条件の下では、膜厚をサイクル数で細かく制御できる。

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しかし、これは「一周期で完全な一原子層が必ずできる」という意味ではない。

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実際の成長量は材料、温度、表面状態、前駆体の立体的な大きさ、反応機構によって異なる。

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一周期当たりの平均成長量は、GPC（Growth Per Cycle）と呼ばれる。

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例えばGPCが0.1nm/周期で、定常成長が成立していると仮定すると、100周期でおよそ10nmの膜を形成できる。

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ただし、初期表面で成長開始が遅れる核生成遅延や、成長途中の反応状態の変化によって、実際の膜厚が単純な比例関係にならないこともある。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T03$ R. L. Puurunen / Journal of Applied Physics 97, 121301 (2005)：TMA／H₂O表面化学の原著レビュー（2005）

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T03$ R. L. Puurunen / Journal of Applied Physics 97, 121301 (2005)：TMA／H₂O表面化学の原著レビュー（2005）

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なぜALDは深い構造に有利なのか

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ALDでは、表面反応が飽和すると、同じ反応物を追加しても成長が進みにくくなる。

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したがって、前駆体が深い穴の底部まで十分に到達すれば、入口側と底部の膜厚を揃えやすい。

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ただし、穴の底部まで到達するための輸送時間が長くなる場合がある。

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高アスペクト比構造に対応するためには、反応物の曝露時間や供給量、パージ時間を調整しなければならない。

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ALDの長所は「化学反応が自然に一定量で止まりやすいこと」であり、弱点は「その反応を全表面で十分に完了させるための時間と供給条件が必要なこと」である。

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PEALD――プラズマを利用したALD

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PEALDは、Plasma-Enhanced ALDの略である。

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ALDの周期的な原料供給と自己制限的な成長機構を維持しながら、反応段階でプラズマを利用する。

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ここでPECVDとPEALDを混同してはいけない。

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どちらもプラズマを使うが、PEALDでは反応物の供給・除去を分離し、サイクルごとの表面反応を制御することが中心となる。

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一方、PECVDは一般に連続的または準連続的なガス供給とプラズマ反応で膜を形成する。

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Spatial ALD――反応場所を分離する

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時間分離型ALDでは、同じチャンバー内で原料を交互に供給する。

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これに対しSpatial ALD、空間分離型ALDでは、原料AとBに接触する領域を空間的に分ける。

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ウエハを移動・回転させながら各領域を通過させることで、時間的なパージに必要な待ち時間を減らし、生産性を改善できる場合がある。

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ただし、反応領域の分離が不完全であれば気相反応が生じ、膜質や粒子に悪影響を与える可能性がある。

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東京エレクトロンのNT333は、この空間分離型ALDの代表例である。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）

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4-6　エピタキシャル成長――結晶を引き継いで成長させる

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エピタキシーでは、下地の結晶に対応した配列を持つ膜を成長させる。 ASM：Epitaxy

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ここで重要なのは、膜が結晶であることだけでなく、下地との結晶学的な関係が制御されていることである。

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代表的な方式に、シリコンやSiGeのCVDエピタキシーがある。

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例えば、シリコン基板上にSiGeを形成すると、材料組成によって結晶の格子定数が変わる。

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この格子の違いを利用して、チャネルにひずみを与え、電子や正孔の輸送特性を変えることができる。

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主な参照資料：

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$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$P01$ imec：GAAの低温SiGeソース・ドレイン研究例（研究例／量産一般値ではない）

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主な参照資料：

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$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$P01$ imec：GAAの低温SiGeソース・ドレイン研究例（研究例／量産一般値ではない）

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また、エピタキシャル成長中にドーパントを供給することで、成長させる結晶膜の電気的性質を制御することも可能である。

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これをIn-situ dopingと呼ぶ。

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化合物半導体のエピタキシー

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GaNやGaAsなどでは、MOCVDが重要な技術となる。

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MOCVDはMetal-Organic Chemical Vapor Deposition、金属有機化学気相成長法の略である。 AIXTRON：MOCVDの技術解説

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例えばGaNでは、トリメチルガリウムやアンモニアなどを用いて、基板上にGaN系の結晶を成長させる。

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ここでは膜厚だけでなく、組成、結晶欠陥、表面形態、ドーピング、界面品質などが重要になる。

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SiCでは、高温のエピタキシャル成長によって必要なドリフト層などを形成する。

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SiCやGaNのエピタキシーは、先端ロジックの極薄ゲート膜とは異なり、材料の結晶品質、成長速度、厚さ、耐圧性能などが主要な評価項目となる。

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主な参照資料：

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$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）

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4-7　選択成膜――全面に膜を作らない

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一般的な成膜では、ウエハ表面の広い領域に膜を形成する。

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その後、不要な部分をエッチングして取り除くことがある。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）

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選択成膜では、最初から特定の場所で成膜を進める。 Applied Materials：Selective Deposition

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例えば、金属が露出した領域には膜を成長させ、隣の絶縁膜上には成長させないようにする。

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このとき利用するのが、材料ごとの表面反応性の違いである。

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表面処理や阻害分子、自己組織化単分子膜（SAM）などを利用して、特定領域の核生成を抑える方式も研究・開発されている。 imec：Area-Selective Depositionの基礎

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選択成膜の難しさ

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選択成膜は、不要な場所に原子が全く付着しないという理想状態を常に実現できるわけではない。

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成膜を長く続けると、成長を抑制していた領域でも核生成が始まることがある。

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これを抑えるため、表面処理と成膜を組み合わせたり、不要な核を除去したりする技術が必要になる。

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また、選択成膜には、膜を作りたい側の反応性を高める方法と、作りたくない側を阻害する方法がある。

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その両方を利用する場合もある。

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半導体の三次元化では、不要な膜を後から削ること自体が難しくなるため、選択成膜の価値が高まっている。

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例えば、微細なコンタクトで不要なライナーやバリアを削減できれば、導体として使える断面積を増やし、抵抗の低減につながる場合がある。

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ただし、工程の簡略化効果は、選択性、残留欠陥、材料適合性、後工程との整合性によって決まる。

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第5節　装置内部――成膜はどのような機械の中で行われるのか

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成膜装置の性能は、反応室だけでは決まらない。

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ウエハの搬送、原料供給、温度制御、圧力制御、排気、洗浄、装置の安定運転まで含めて一つの製造装置となる。

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5-1　PVD装置

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スパッタリングPVDの代表的な構成は以下の通りである。

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{構成部}&\text{機能}\cr\hline \text{ターゲット}&\text{成膜材料を供給}\cr\hline \text{マグネトロン・磁石}&\text{プラズマの形成・維持を補助}\cr\hline \text{電源}&\text{ターゲットに必要な電力を供給}\cr\hline \text{ガス導入系}&\text{アルゴンなどを供給}\cr\hline \text{ウエハ支持部}&\text{ウエハの保持・温度制御}\cr\hline \text{真空ポンプ}&\text{圧力を維持}\cr\hline \text{シールド}&\text{不要な堆積物から装置部材を保護}\cr\hline \end{array}

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PVDではターゲットが消耗するため、材料交換が不可欠となる。

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ターゲットの消耗状態、材料組織、粒子発生は、膜質と装置稼働率に関係する。

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主な参照資料：

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$T05$ Applied Materials：PVDの基本（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）

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5-2　CVD・PECVD装置

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CVDでは、ガス供給系と反応室の設計が重要になる。

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原料容器から材料が送られ、流量制御器を通過し、シャワーヘッドなどからウエハへ供給される。

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液体・固体の前駆体を使う場合は、気化器や加熱配管を備えることもある。

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PECVDでは、さらにRF電源、整合回路、電極、プラズマ制御が必要となる。

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膜がチャンバー内壁にも堆積するため、定期的な清掃が必要になる。

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内部に堆積した膜が剥がれると、粒子汚染につながる場合がある。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

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5-3　ALD装置

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ALDでは、前駆体の供給タイミングと反応物の分離が非常に重要となる。

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そのため、高速バルブ、前駆体容器、加熱配管、パージ系、温度制御、排気系などが必要になる。

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前駆体Aと反応物Bが配管やチャンバー内部で意図せず反応すると、粒子発生や不要な堆積につながる可能性がある。

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また、原料の蒸気圧が低い場合、十分な原料流束を得ることが難しくなる。

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そのため、高温でも安定して原料を供給できる容器や気化技術が競争力となる。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T03$ R. L. Puurunen / Journal of Applied Physics 97, 121301 (2005)：TMA／H₂O表面化学の原著レビュー（2005）
$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）

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5-4　エピタキシャル成長装置

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エピタキシャル成長では、温度と表面状態の管理が重要になる。

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結晶成長前に自然酸化膜や汚染物を除去しなければならない場合がある。

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下地に酸化膜が残っていると、結晶の配列を引き継ぐ成長が阻害されることがあるためである。

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装置によっては前処理モジュールと成長チャンバーを接続し、外気に曝さず処理する。

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また、結晶成長速度だけでなく、ウエハ面内の温度均一性、原料濃度、成長面の方位や形状を制御しなければならない。

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GaNのMOCVD装置では、ガス流れやウエハ温度の均一性が、組成や結晶品質に影響する。

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SiCのエピ装置では、高温対応の反応炉、部材、加熱技術が特に重要になる。

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主な参照資料：

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$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）

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5-5　枚葉式とバッチ式

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成膜装置には、一枚ずつ処理する枚葉式と、多数のウエハをまとめて処理するバッチ式がある。

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また、複数枚を同時に処理しながら、個々のウエハを異なる反応領域へ移動させるセミバッチ型もある。

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枚葉式は精密な個別制御に適し、バッチ式は多数のウエハを効率よく処理できる場合がある。

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しかし、枚葉式だから膜質が高く、バッチ式だから膜質が低いという単純な関係ではない。

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処理時間、均一性、装置間ばらつき、チャンバー清掃時間などを含めて評価する必要がある。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）
$T07$ KOKUSAI ELECTRIC：LP-CVD・ALD・熱処理の製品分類（参照 2026-10-23）

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第6節　材料と消耗部品――成膜を成立させる供給網

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6-1　PVDの材料

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PVDで重要なのは、高純度のスパッタリングターゲットである。

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材料には銅、アルミニウム、チタン、タンタルなど、用途に応じて多くの種類がある。

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ターゲットでは純度だけでなく、結晶粒径、内部組織、密度、不純物、接合部の品質などが重要となる。

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主な参照資料：

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$T05$ Applied Materials：PVDの基本（参照 2026-10-23）

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金属を高純度に精製し、均一な組織で加工できることが、材料企業の競争力となる。

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例えば、JX金属は半導体用スパッタリングターゲットを主要製品とし、2026年度時点で世界シェア約65％を公表している。 JX金属：世界市場シェア

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ただし、これは同社が定義するターゲット材料市場のシェアであり、PVD装置の世界シェアを意味しない。

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6-2　CVD・ALDの材料

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CVDとALDでは、気体や蒸気として供給できる前駆体が重要になる。

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|l|} \text{前駆体・材料}&\text{主な用途例}&\text{技術上の制約}\cr\hline \text{シラン}&\text{Si系の成膜}&\text{反応性、取扱安全性}\cr\hline \text{TEOS}&\text{酸化シリコン膜}&\text{気化、純度、温度制御}\cr\hline \text{TiCl₄}&\text{Ti・TiN系薄膜}&\text{腐食、反応副生成物}\cr\hline \text{WF₆}&\text{タングステン系薄膜}&\text{反応条件、腐食性}\cr\hline \text{TMA}&\text{Al₂O₃のALD}&\text{反応性、供給管理}\cr\hline \text{Hf系前駆体}&\text{High-k膜}&\text{熱安定性、膜中不純物}\cr\hline \text{Si・Ge系原料}&\text{Si・SiGeエピ}&\text{成長温度、組成、ドーピング}\cr\hline \text{金属有機Ga原料}&\text{GaN系MOCVD}&\text{蒸気圧、純度、供給安定性}\cr\hline \end{array}

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ADEKAが公表するスーパーTEOSの純度仕様は99.999995％以上である。 ADEKA：半導体材料

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

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このような高純度材料を継続供給するためには、合成・精製だけでなく、容器、気化、輸送、分析技術が必要になる。

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また、ALDでは前駆体分子の反応性、吸着特性、熱安定性が、成膜速度や膜質に直接関係する。 Entegris：ALD・CVD前駆体

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したがって、新しいALD装置の量産には、装置開発だけでなく、その装置に対応した前駆体の開発と量産認定も必要になる。 JX金属：CVD・ALD材料事業

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6-3　部品メーカーの重要性

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供給分野／企業例

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{供給分野}&\text{企業例}\cr\hline \text{高純度ターゲット}&\text{JX金属、Tosohなど}\cr\hline \text{前駆体}&\text{ADEKA、トリケミカル研究所、Entegrisなど}\cr\hline \text{特殊ガス}&\text{Air Liquide、Lindeなど}\cr\hline \text{流量制御}&\text{HORIBA、MKSなど}\cr\hline \text{RF電源}&\text{Advanced Energy、MKSなど}\cr\hline \text{真空・排気}&\text{Edwards、荏原、Pfeifferなど}\cr\hline \text{バルブ}&\text{VAT、フジキンなど}\cr\hline \text{石英・セラミックス}&\text{京セラ、CoorsTekなど}\cr\hline \end{array}

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供給分野／役割

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{供給分野}&\text{役割}\cr\hline \text{高純度ターゲット}&\text{PVDの金属供給}\cr\hline \text{前駆体}&\text{CVD・ALDの化学原料}\cr\hline \text{特殊ガス}&\text{成膜・反応・キャリアガス}\cr\hline \text{流量制御}&\text{ガス供給量の精密制御}\cr\hline \text{RF電源}&\text{PECVD・PEALDなどのプラズマ制御}\cr\hline \text{真空・排気}&\text{圧力制御・排気}\cr\hline \text{バルブ}&\text{真空・ガス供給経路の制御}\cr\hline \text{石英・セラミックス}&\text{耐熱・絶縁・構造部品}\cr\hline \end{array}

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これらの企業は、完成装置メーカーとは異なる位置で成膜工程を支えている。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$B01$ MKS：成膜向けMFC・RF・真空周辺機器（参照 2026-10-23）
$B02$ HORIBA：成膜向けマスフローコントローラー（参照 2026-10-23）
$B03$ 荏原製作所：半導体製造向けドライ真空ポンプ（参照 2026-10-23）
$B04$ Advanced Energy：成膜等で用いるプラズマ電源と温度制御（参照 2026-10-23）

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例えばALD装置では、前駆体容器や高速バルブの性能が十分でなければ、設計上の反応サイクルを実現できない場合がある。

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エピタキシーでは、反応炉部材の汚染や温度むらが結晶品質に影響することがある。

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装置の優劣を比較する際には、完成装置の性能だけでなく、サプライヤーが必要な部材を安定して供給できるかを確認する必要がある。

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また、フッ素樹脂部品は薬液供給などで重要だが、高温や直接プラズマに曝されるチャンバー内部にそのまま使用できるとは限らない。

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部品の使用箇所ごとに、接ガス・接液・真空・高温・プラズマへの適合性を区別しなければならない。

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第7節　技術の系譜――なぜ新しい成膜方式が必要になったのか

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成膜技術の発展を考える際には、方式の登場年だけでなく、何が製造上の限界になったかを見る必要がある。

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7-1　平坦な構造では十分だった技術

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比較的単純な構造では、PVDや従来型CVDによって必要な膜を形成できた。

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しかし、回路の微細化によって、膜厚や界面のわずかな違いが性能に与える影響が増大してきた。

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また、トランジスタやメモリの三次元化によって、従来の方法では均一に膜を形成することが難しくなった。

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7-2　ALDの重要性が高まった理由

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トランジスタのゲート絶縁膜は、薄いほど電界を制御しやすい一方、薄くしすぎると漏れ電流が問題になる。

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この課題への対応として、高誘電率材料であるHigh-k膜が利用されるようになった。

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ALDは、こうした極薄の機能膜を高精度に形成するために重要となった。

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さらにFinFET、GAAへと構造が進化したことで、平坦な表面だけでなく、立体的なチャネルの周囲へ均一に膜を形成する必要が生じた。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）

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7-3　エピタキシーの役割が拡大した理由

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トランジスタを高速化するには、チャネルの材料や応力を制御することが有効である。

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SiGeなどを利用したひずみ制御、ドーパントを含むソース・ドレイン形成、結晶欠陥の抑制などが重要になってきた。

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そのため、エピタキシーは単にウエハ表面に結晶膜を追加する技術ではなく、トランジスタ性能そのものを設計する工程となった。

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7-4　選択成膜が重要になる理由

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従来の製造では、全面成膜したあと不要な部分を除去することが多かった。

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しかし、微細化が進むと、不要な膜を取り除く際に下地を傷つけたり、残したい部分まで削ったりする恐れがある。

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選択成膜によって必要な場所にだけ材料を形成できれば、こうした工程を削減できる可能性がある。

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ただし、選択性を長時間維持することや、他の材料への悪影響を避けることが新しい課題となる。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$T05$ Applied Materials：PVDの基本（参照 2026-10-23）

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つまり、技術の進歩によって、従来の問題が解決されると同時に、別の量産上の難しさが生じるのである。

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第8節　CPU・GPU・DRAM・NAND・アナログ・化合物半導体・光半導体で何が異なるのか

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製品による成膜工程の違いを考える際には、半導体の名前だけでなく、内部構造を見る必要がある。

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8-1　CPU・GPU・AI ASIC・DPU

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CPU、GPU、AI ASIC、DPUは、ロジック半導体として製造される場合が多い。

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これらは用途や内部設計が異なっていても、同じ製造プロセスを採用する場合には多くの成膜工程を共有する。

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先端プロセスでは、High-kゲート絶縁膜、金属ゲート、SiGeなどのエピタキシャル層、微細コンタクト、金属配線が重要になる。

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{役割}&\text{成膜方式の例}\cr\hline \text{極薄ゲート絶縁膜}&\text{ALD}\cr\hline \text{金属ゲート}&\text{ALD、PVDなど}\cr\hline \text{ソース・ドレイン形成}&\text{エピタキシャルCVDなど}\cr\hline \text{絶縁膜}&\text{CVD、PECVD、ALD}\cr\hline \text{金属バリア・シード}&\text{PVD、ALDなど}\cr\hline \text{コンタクト金属}&\text{CVD、ALDなど}\cr\hline \text{選択的界面形成}&\text{選択CVD、選択ALDなど}\cr\hline \end{array}

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）
$P01$ imec：GAAの低温SiGeソース・ドレイン研究例（研究例／量産一般値ではない）

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GPUだからCVD装置を多く使う、CPUだからALDを多く使うという単純な区分は適切ではない。

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装置需要を左右するのは、採用するトランジスタ構造、配線層数、材料構成、製造世代、そして工程レシピである。

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8-2　DRAM

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DRAMでは、電荷を保持するキャパシタが重要になる。

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小さな面積で必要な容量を確保するため、キャパシタは細く深い三次元構造を持つ。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$M01$ ASM（同社発行リリース）：2024年市場推計と2030年市場予測（2025-09-23）

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ここでは、電極と誘電体を形成する必要がある。

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高誘電率の膜を深い構造の側壁や底部に均一に形成するため、ALDが重要になる。

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また、キャパシタ電極、コンタクト、周辺回路には金属成膜やエピタキシャル成長も関わる。

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DRAMの微細化では、キャパシタ構造に加え、周辺回路のトランジスタ構造の変化も装置需要に影響する。

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8-3　HBM

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HBMは、DRAMダイを三次元に積み重ねたメモリである。

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DRAMセルの製造には、通常のDRAMと同様に成膜工程が必要になる。

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それに加えて、TSV、薄化、接合などの先端実装工程が必要となる。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）

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ここでは、絶縁膜、バリア膜、シード膜、接合界面の形成などに成膜技術が関わる。

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したがってHBM需要の増加は、DRAMの前工程だけでなく、実装工程に関わるPVD、CVD、ALDなどにも需要を生む可能性がある。

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8-4　3D NAND

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3D NANDでは、絶縁膜や犠牲膜を交互に積み重ね、垂直方向の記憶セルを形成する。

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この多層構造では、CVDやPECVDなどによる繰り返し成膜が重要になる。

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一方、深い構造の内部に高品質な薄膜や金属膜を形成する場合には、ALDなども重要となる。

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積層数が増加すると、必要な膜数、総膜厚、応力、成膜時間が変化する。

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さらに、深い穴の内部で材料を均一に形成し、不要な部分を選択的に除去する必要も生じる。

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主な参照資料：

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$P02$ Lam Research：置換ゲート型NANDの金属形成（参照 2026-10-23）
$N03$ Lam Research：Mo ALDの認定・立ち上げ状況（2025-02-19）
$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）

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そのため、3D NANDの量産はCVD・ALD・エッチング・洗浄・CMPなどの組み合わせによって成立する。

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8-5　アナログ半導体とパワー半導体

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アナログ半導体では、最先端の微細化よりも耐圧、雑音、精度、長期信頼性が重要になる場合がある。

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そのため、成熟したPVD、CVD、LPCVDなどの工程が長く使われることもある。

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一方、SiCやGaNでは、エピタキシャル成長の重要性が高い。

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SiCでは、耐圧を担う結晶層の厚さ、ドーピング、欠陥密度が重要になる。

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GaNでは、GaNやAlGaNなどの結晶層の組成、界面、応力、欠陥制御が重要となる。

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これらは、CPUやGPUの極薄ゲート膜とは異なる技術課題である。

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主な参照資料：

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$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）
$N04$ AIXTRON / ROHM：200 mm GaNエピ量産立ち上げ（2026-06-08）
$N05$ Wolfspeed：200 mm SiC材料・エピの商用展開（2025-09）

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）

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8-6　製品別の成膜需要を整理する

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デバイス／特に重要な成膜技術

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{デバイス}&\text{特に重要な成膜技術}\cr\hline \text{CPU・GPU・AI ASIC}&\text{ALD、選択成膜、エピ、金属CVD・PVD}\cr\hline \text{DPU・ネットワークASIC}&\text{ロジック向け各種成膜}\cr\hline \text{SRAM}&\text{High-k、金属膜、エピ}\cr\hline \text{DRAM}&\text{ALD、CVD、金属成膜}\cr\hline \text{HBM}&\text{DRAM向け成膜＋先端実装向け成膜}\cr\hline \text{3D NAND}&\text{CVD、PECVD、ALD、金属成膜}\cr\hline \text{アナログ}&\text{CVD、PVD、LPCVD}\cr\hline \text{SiC}&\text{SiCエピ、CVD、ALD、PVD}\cr\hline \text{GaN}&\text{MOCVD、ALD、PVDなど}\cr\hline \text{光通信・フォトニクス}&\text{MOCVD、MBE、PVD、CVDなど}\cr\hline \end{array}

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デバイス／製造上の制約

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{デバイス}&\text{製造上の制約}\cr\hline \text{CPU・GPU・AI ASIC}&\text{微細構造、配線抵抗、界面品質}\cr\hline \text{DPU・ネットワークASIC}&\text{配線・高速I/O、信頼性}\cr\hline \text{SRAM}&\text{セル面積、ばらつき}\cr\hline \text{DRAM}&\text{深いキャパシタ構造、漏れ電流}\cr\hline \text{HBM}&\text{積層接続、界面、応力}\cr\hline \text{3D NAND}&\text{多層化、HAR、膜応力}\cr\hline \text{アナログ}&\text{耐圧、品質、長期供給}\cr\hline \text{SiC}&\text{結晶欠陥、耐圧、熱履歴}\cr\hline \text{GaN}&\text{組成、界面、応力、欠陥}\cr\hline \text{光通信・フォトニクス}&\text{結晶品質、波長、光学損失}\cr\hline \end{array}

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8-7　光半導体――SiPh・InP・レーザー・CPOを作る成膜技術

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光を発生させ、伝え、変調し、受信する。CVD・PVD・ALD・エピタキシャル成長が支えるAIデータセンターの光接続

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2026年10月23日｜半導体製造工程・技術と産業構造

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はじめに――半導体が制御するのは、電気だけではない

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CPUやGPUでは、トランジスタによって電流の流れを制御する。DRAMでは電荷を蓄積し、NANDフラッシュメモリでは電荷の状態などを利用して情報を記憶する。

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ところが、半導体が制御する対象は電気だけではない。

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光を発生させる半導体、光を導く半導体、光の強さを変化させる半導体、そして光を電気信号に変換する半導体も存在する。

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こうした光半導体は、光ファイバー通信を中心に発展してきた。

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そして近年、AIデータセンターの通信需要が拡大するなかで、光半導体の製造技術が重要性を増している。

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GPU同士、GPUとネットワークスイッチ、あるいは異なるサーバーラックの間で大量のデータを移動するためには、高速な通信が必要になる。

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電気信号を金属配線で伝える方法には、距離や信号速度の増加に伴う損失、消費電力、信号品質などの制約がある。

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光通信は、その制約に対応するための重要な方法の一つである。

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ただし、光を使えばすべての通信が低消費電力になるわけではない。

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光源を動かす電力、光を変調する回路、受信した光を電気信号に変換する回路、さらに光ファイバーへ接続するための部品が必要になる。

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そこで重要となるのが、SiPh（Silicon Photonics：シリコンフォトニクス）、InP（Indium Phosphide：リン化インジウム）、EML（Electro-absorption Modulated Laser）、そしてCPO（Co-Packaged Optics）である。

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これらは同じ種類の技術ではない。

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SiPhは、シリコン系の製造基盤を利用して光回路を作る技術である。

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InPは、光源や高速光デバイスに利用される化合物半導体材料である。

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EMLは、レーザーと電界吸収型の光変調器を一体化した光源デバイスである。

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CPOは、光エンジンとASICなどの半導体を近接して実装するパッケージング方式である。

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つまり、光半導体産業を理解するには、材料、素子、光回路、実装方式を区別する必要がある。

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そして、それぞれを製造するためにCVD、PVD、ALD、エピタキシャル成長、選択成膜が使われている。

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本節では、こうした光部品が原子レベルでどのように作られ、どの工程が量産上のボトルネックになるのかを見ていく。

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1　光半導体では何を作るのか

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1-1　光通信を成立させる四つの機能

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光通信の基本的な構造は、光源、変調器、伝送路、受光器の四つに分けられる。

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光源は、電気エネルギーから光を発生させる。

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変調器は、電気信号に応じて光の強さや位相などを変え、情報を光へ載せる。

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伝送路は、光ファイバーや光導波路を通して光を伝える。

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受光器は、到達した光を電気信号へ変換する。

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出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T02

AIXTRON：MOCVDの基本原理 https://www.aixtron.com/en/innovation/technologies/mocvd

T03

Coherent：CW-DFB InPレーザーとSiPh https://www.coherent.com/news/press-releases/high-efficiency-lasers-for-silicon-photonics-transceivers

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この四つの機能は、一つの材料だけで成立するとは限らない。

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例えばSiPhは、シリコン導波路や変調器、Ge光検出器などを一つのチップへ集積できる。

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しかし、シリコンは間接遷移型の半導体であり、一般的な通信波長帯の効率的なレーザー光源をシリコン単独で実現することは難しい。

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そのため、InP系のレーザーなどを別途用意し、SiPh光回路へ光を供給する構成が広く利用されている。

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1-2　光半導体の役割と材料

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|l|} \text{光部品} & \text{役割} & \text{主な材料・技術}\cr\hline \text{光導波路} & \text{光を伝える} & \text{Si、SiN、SiO₂}\cr\hline \text{光変調器} & \text{光に情報を載せる} & \text{Si、GeSi、InP系、LiNbO₃など}\cr\hline \text{レーザー} & \text{光を発生させる} & \text{InP系、GaAs系など}\cr\hline \text{光検出器} & \text{光を電気へ変換する} & \text{Ge、GeSi、InGaAsなど}\cr\hline \text{光増幅器} & \text{光の信号を増幅する} & \text{InP系SOAなど}\cr\hline \text{光結合部} & \text{異なる光路を接続する} & \text{Si、SiN、ガラス、レンズ、光ファイバー}\cr\hline \text{電極・制御回路} & \text{光素子を駆動する} & \text{CMOS、BiCMOS、金属配線}\cr\hline \end{array}

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これらの材料を形成するため、既存の半導体製造装置が利用される。

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ただし、光半導体では、膜の厚さや電気的性質だけでなく、屈折率、吸収、結晶欠陥、光散乱、温度依存性などを制御する必要がある。

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2　SiPh――シリコンウエハ上に光が通る道を作る

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2-1　光導波路とは何か

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光導波路は、光を特定の方向へ伝えるための微細構造である。

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光が通る中心部分をコア、周囲の材料をクラッドと呼ぶ。

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一般に、コアとクラッドの屈折率の違いなどを利用して光を閉じ込める。

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例えば、SiNをコア、SiO₂をクラッドとした光導波路がある。

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シリコンをコアに利用する導波路も広く使われている。

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ここで重要なのは、光導波路の性能が単に材料の電気抵抗で決まるわけではないことである。

#

光が吸収されたり、側壁で散乱されたり、別の方向へ漏れたりすれば、伝送損失が発生する。

#

2-2　SiPhの製造フロー

#

代表的なSOI型SiPhを考える。

#

SOIはSilicon on Insulatorの略で、シリコン基板の上に埋込酸化膜と薄いシリコン層を持つ構造である。

#

この薄いシリコン層を加工して、光導波路や変調器などを形成する。

#

代表的な工程群は以下のようになる。

#

SOIウエハを用意する。
リソグラフィとエッチングでシリコン導波路を形成する。
必要に応じてドーピングを行い、光変調器の接合構造を形成する。
光検出器に必要なGe系の結晶を成長させる。
絶縁膜・保護膜・クラッドを形成する。
PVDなどで金属電極や配線用の膜を形成する。
光導波路と電極の形状を加工する。
ウエハ段階で電気特性と光学特性を検査する。
必要に応じてレーザーや電子回路を実装する。

#

ここで、最初のシリコン導波路はSOI基板にすでに存在するシリコン層を加工して作ることがある。

#

したがって、SiPhのすべての導波路がCVDで形成されるわけではない。

#

一方、SiN導波路ではCVDによる膜形成が重要になる。

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出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T04

imec：LPCVD・PECVD SiNフォトニクス https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/silicon-nitride

T05

低温・アニール不要SiNの原著論文（2024） https://www.nature.com/articles/s41377-024-01503-4

#

出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T03

Coherent：CW-DFB InPレーザーとSiPh https://www.coherent.com/news/press-releases/high-efficiency-lasers-for-silicon-photonics-transceivers

T04

imec：LPCVD・PECVD SiNフォトニクス https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/silicon-nitride

#

2-3　SiN導波路とCVD

#

SiNは、比較的広い波長範囲で透明性を持ち、低損失の光導波路に利用できる材料である。

#

SiN膜の形成には、LPCVDやPECVDなどが使われる。

#

LPCVDでは、高温の化学反応を利用して高品質なSiN膜を形成することができる。

#

一方、PECVDではプラズマを利用することで、比較的低い温度でSiN膜を形成できる。

#

これは、すでに形成されたCMOS回路や熱に弱い材料の上へ光回路を追加する場合に有利となる。

#

ただし、低温で成膜できれば光学特性も優れるとは限らない。

#

PECVDでは、原料や条件によって水素が膜中に残留する場合がある。

#

Si–H結合やN–H結合などは、通信波長帯の光吸収に関係する。

#

そのため、光通信向けSiN膜では、水素含有量や化学結合状態が重要な評価項目となる。

#

imecは、低損失SiN向けのLPCVDプラットフォームと、CMOS互換の低温PECVDプラットフォームをそれぞれ提供している。

#

同社が公表する代表的な性能では、LPCVDを利用する低損失SiNプラットフォームは2dB/m程度までの低い伝搬損失を実現している。一方、別用途のPECVDプラットフォームでは2dB/cm未満の仕様が示されている。

#

ただし、これは異なる設計・用途・条件のプラットフォームを比較した数字である。LPCVDとPECVDの一般的な性能差を一律に表すものではない。

#

出典：imec：Silicon nitride-based photonics

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出典：

T04

imec：LPCVD・PECVD SiNフォトニクス https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/silicon-nitride

T05

低温・アニール不要SiNの原著論文（2024） https://www.nature.com/articles/s41377-024-01503-4

T06

Liu et al.：低損失SiNの量産プロセス・吸収と散乱（2021） https://www.nature.com/articles/s41467-021-21973-z

#

2-4　成膜条件が光損失へ与える影響

#

電気配線では、抵抗が重要な指標になる。

#

一方、光導波路では、伝搬損失が重要になる。

#

光の減衰をdBで表した伝搬損失係数をα、光導波路の長さをLとすると、導波路内部の損失は次のように近似できる。

#

\mathrm{Loss}_{\mathrm{wg}}=\alpha L

#

例えば、αが1dB/cmで、導波路が2cmなら、伝搬損失は2dBとなる。

#

同じ長さでαを0.1dB/cmに抑えられれば、損失は0.2dBとなる。

#

これは説明用の仮定であり、特定の製品性能を示したものではない。

#

光の損失を減らせれば、受信側までより多くの光を届けられる。

#

しかし、伝搬損失だけを改善しても、光結合部や変調器で大きな損失が発生していれば、システム全体の損失は十分に下がらない。

#

そのため、光半導体ではウエハ上の導波路だけでなく、変調器、光結合、パッケージングを含む光パワーバジェットが重要となる。

#

出典：

T04

imec：LPCVD・PECVD SiNフォトニクス https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/silicon-nitride

T05

低温・アニール不要SiNの原著論文（2024） https://www.nature.com/articles/s41377-024-01503-4

T06

Liu et al.：低損失SiNの量産プロセス・吸収と散乱（2021） https://www.nature.com/articles/s41467-021-21973-z

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3　光変調器――作った光にどうやって情報を載せるのか

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光源が一定の強さで光を発生させているだけでは、情報を送れない。

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光の強さや位相を高速に変化させる必要がある。

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これを実行する部品が光変調器である。

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3-1　シリコン変調器

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SiPhでは、シリコン導波路内の自由キャリア濃度を変化させることで、屈折率や吸収の変化を利用する方式がある。

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例えばMach-Zehnder Modulator（MZM）では、光を二つの経路に分け、位相差を変化させたあとに再び合流させる。

#

その干渉によって、出力される光の強さを制御する。

#

ここでは、シリコン導波路だけでなく、PN接合、金属電極、絶縁膜、熱制御部品などが必要となる。

#

つまり、光変調器の製造でも、イオン注入、CVD、PVD、洗浄、リソグラフィ、エッチングなどが組み合わされる。

#

3-2　GeSi電界吸収型変調器

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GeSiを利用して光の吸収を電界で変化させる方式もある。

#

この場合、Ge系の結晶成長が重要になる。

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2025年10月、imecは300mm SiPhプラットフォームで、110GHz超の帯域を持つGeSi電界吸収型変調器を実証した。

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同社は、Cバンドで1レーン当たり正味400Gbpsの通信実証を公表している。

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ただし、これは研究・実証成果であり、すべての商用光モジュールで量産採用されていることを意味しない。

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出典：imec：GeSi EAM 400Gbps実証

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3-3　新しい光変調材料

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さらに、SiPhへ新しい電気光学材料を統合する研究も進んでいる。

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代表的な材料として、LiNbO₃（ニオブ酸リチウム）、LiTaO₃（タンタル酸リチウム）、BaTiO₃（チタン酸バリウム）などがある。

#

これらは、電界によって材料の光学特性を変化させる用途で重要になる。

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2026年1月には、Veecoとimecが300mmシリコンフォトニクス向けのBaTiO₃エピタキシャル成長プロセスを発表した。

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この技術では、MBE（分子線エピタキシー）を利用して、シリコン上に結晶性のBaTiO₃を形成することを目指している。

#

これは一般的な熱CVDやALDと異なり、結晶品質を制御する成膜技術である。

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2026年の発表は、量産互換性を目指したプロセス・装置開発の成果であり、大規模商用生産の確立を意味するものではない。

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出典：Veeco・imec：300mm対応BaTiO₃エピタキシー

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出典：

T03

Coherent：CW-DFB InPレーザーとSiPh https://www.coherent.com/news/press-releases/high-efficiency-lasers-for-silicon-photonics-transceivers

T07

Lumentum：DFBとEAMを集積したEML https://www.lumentum.com/en/products/eml-100g-pam4-cwdm-laser

T08

Coherent：InPベースの光源・EML・受光器 https://www.coherent.com/news/press-releases/coherent-demonstrates-inp-technology-innovation

T13

Coherent：SiPh・InP EML・GaAs VCSELの構成例 https://www.coherent.com/news/press-releases/coherent-demonstrates-next-gen-pluggable-transceiver-ofc-2026

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3-4　薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）――結晶を薄く移し、電界で光を変調する

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SiPhの競合か、それとも補完か。400G光通信を支える単結晶薄膜・成膜・精密研磨・先端実装の供給網

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2026年10月23日

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はじめに――光を高速に変調するための新しい材料

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光通信では、レーザーが発生させた光に情報を載せる必要がある。

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光の強さや位相を、電気信号に応じて変化させる部品が光変調器である。

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シリコンフォトニクス（SiPh）では、シリコン導波路の自由キャリア濃度を変化させる方式や、GeSiによる電界吸収型の変調器などが利用される。

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これらはシリコン製造基盤との親和性が高く、光導波路、変調器、光検出器などを一つのチップへ集積できることが強みである。

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しかし、光通信が1.6Tbpsから3.2Tbpsへ、光レーン当たりの伝送速度が200Gbpsから400Gbps級へと進化すると、変調器にも新しい要求が生じる。

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電気光学帯域幅を広げながら、光損失を低く保ち、駆動電圧を下げなければならない。

#

この要求への有力な解決策の一つが、薄膜ニオブ酸リチウム、TFLN（Thin-Film Lithium Niobate）である。

#

LiNbO₃は、優れた電気光学効果を持つ結晶材料として、長年にわたり光通信分野で利用されてきた。

#

従来は比較的大きな結晶基板上に光導波路を形成する方式が中心だったが、近年はLiNbO₃を数百nm程度まで薄くし、微細な光導波路や高周波電極と組み合わせる技術が発展している。

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2026年3月には、HyperLight、UMC、Wavetekが6インチおよび8インチのTFLN製造協力を発表した。

#

同月、村田製作所も400Gbps/chに対応するTFLN変調器を展示している。

#

これらは、TFLNが研究室内の試作から、商用ファウンドリーによる生産能力拡大の段階へ移りつつあることを示している。

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ただし、TFLNの普及がそのままシリコンフォトニクスの衰退を意味するわけではない。

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むしろ、SiやSiNが受動的な光導波路を担い、TFLNが高速変調を担当し、InPがレーザーを形成し、CMOSが信号処理を担う異種材料集積が重要になる可能性がある。

#

そしてこの動きは、CVD・PVD・ALDだけでなく、結晶製造、イオン注入、CMP、エッチング、接合、めっき、光学実装という製造工程全体の需要構造を変える可能性を持っている。

#

3-4-1　TFLNはどのように電気信号を光へ変えるのか

#

ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）は、リチウム、ニオブ、酸素で構成される結晶材料である。

#

この材料の重要な性質が、ポッケルス効果（Pockels effect）である。

#

ポッケルス効果とは、材料へ電界を加えたとき、屈折率が電界に対して一次的に変化する現象である。

#

単純化した関係は次のように表せる。

#

\Delta n \approx -\frac{1}{2}n^{3},r_{\mathrm{eff}},E

#

ここで、nは屈折率、r_effは結晶方位や光・電界の向きなどで決まる実効電気光学係数、Eは電界である。

#

屈折率が変化すると、光が材料内部を進む際に蓄積する位相も変化する。

#

この位相変化を利用する代表的な光変調器が、Mach-Zehnder Modulator（MZM）である。

#

MZMでは、光を二つの導波路へ分割する。

#

一方または両方の導波路に電界を加え、光の位相を変化させる。

#

二つの光を再び合流させると、位相差に応じて干渉状態が変わり、出力される光の強さが変化する。

#

これによって、電気信号の情報を光信号へ載せることができる。

#

ここで区別したいのは、TFLN自体がレーザー発振を担っているわけではないことである。

#

通常のTFLN変調器は、InP系などのレーザーから供給された光を変調する。

#

つまり、TFLNとInPは競合するというよりも、異なる機能を分担する場合が多い。

#

左右に分岐するTFLN導波路、進行波電極、加えた電圧、位相差、出力光強度を示す。原子スケールでの屈折率変化と、チップスケールでの光干渉を二段階で描く。

#

半波長電圧Vπと変調効率

#

TFLN変調器で重要な指標が、半波長電圧Vπである。

#

MZMでは、二つの光路の相対位相差をπ変えるために必要な電圧として定義できる。

#

一般に、必要な電圧が低いほど、駆動回路の負担を減らせる可能性がある。

#

さらに、変調部の長さLとの積であるVπLも重要になる。

#

例えばVπLが2V·cmで、実効的な変調長が1cmであれば、単純化した条件ではVπは約2Vとなる。

#

ただし、実際のVπは電極配置、結晶方位、光の偏波、電界の重なり、駆動方式などによって変わる。

#

このため、VπLだけで変調器全体の消費電力を評価することはできない。

#

長い変調器は低電圧で動作しやすい場合があるが、高周波電極の損失や素子面積が増える場合もある。

#

高速光変調器の設計では、低駆動電圧、広帯域化、小型化、光損失の間で最適な組み合わせを探す必要がある。

#

3-4-2　TFLNの薄膜は、一般的なCVD膜とは製造方法が異なる

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TFLNを半導体製造工程から理解する際に、特に重要な点がある。

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それは、商用化が進む単結晶TFLNでは、LiNbO₃膜を通常のSiNやSiO₂と同じようにCVDで直接堆積させる方式が主流ではないということである。

#

高性能な光変調器には、電気光学特性の優れた単結晶LiNbO₃が求められる。

#

そこで、まず単結晶材料を作り、その一部を薄膜として支持基板へ移す方式が利用される。

#

代表的な方法は、イオンスライシングと、接合・精密研磨である。

#

イオンスライシング

#

イオンスライシング型では、LiNbO₃単結晶へ水素やヘリウムなどのイオンを注入し、内部に分離を誘導する層を形成する。

#

その結晶を支持基板へ接合し、熱処理などによって薄いLiNbO₃層を分離する。

#

分離後には、表面の損傷や粗さを改善するため、研磨や熱処理などが必要になる。

#

これは一般的なトランジスタのドーピングを目的とするイオン注入とは役割が異なる。

#

イオンを注入する目的は、単結晶の一部を薄い層として分離することにある。

#

接合・精密研磨

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もう一つが、単結晶と支持基板を接合し、精密研削・研磨によってLiNbO₃層を薄くする方法である。

#

この方式では、薄膜化のためのイオン注入を使わずに単結晶層を形成できる。

#

NGKは、独自の直接接合と精密研磨によるTFLN複合ウエハを開発している。

#

同社は2026年3月、8インチTFLN複合ウエハを初公開した。

#

イオン注入による薄膜分離とは異なる方法で、結晶損傷を抑えた薄膜を作れることを特徴としている。

#

ただし、研磨による薄膜化でも、膜厚均一性、表面粗さ、ウエハ反り、接合界面の品質が重要となる。

#

どちらの方法が優れるかは、材料品質だけでなく、ウエハ口径、製造原価、歩留まり、処理速度などによって決まる。

#

左側にイオン注入→接合→薄層分離→表面修復、右側に直接接合→精密研削→CMP・仕上げ研磨を配置。完成したLN/絶縁層/支持基板の断面を共通の最終図として表示する。

#

ここで成膜産業への重要な影響が生じる。

#

TFLNの普及によって直接重要性が高まる可能性があるのは、LiNbO₃のCVD装置だけではない。

#

単結晶基板、イオン注入、接合、CMP、超精密研磨、膜厚計測、欠陥検査の供給網も重要になるのである。

#

3-4-3　TFLN光変調器を作る工程――成膜はどこに必要なのか

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TFLNウエハが完成しても、それだけでは高速光変調器として動作しない。

#

光を導く構造、高速電界を与える電極、絶縁膜、光の入出力部を作る必要がある。

#

ここでは代表的なリッジ型TFLN変調器を考える。

#

工程・加工内容

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{工程}&\text{加工内容}\cr\hline \text{① 基板準備}&\text{TFLN複合ウエハを準備}\cr\hline \text{② ハードマスク形成}&\text{LN加工用のマスク膜}\cr\hline \text{③ 光導波路形成}&\text{LNを部分的に削りリッジ形成}\cr\hline \text{④ 表面洗浄}&\text{加工残渣・再付着物を除去}\cr\hline \text{⑤ 絶縁膜形成}&\text{SiO₂クラッド・保護膜}\cr\hline \text{⑥ 電極形成}&\text{密着層・Au等の金属電極}\cr\hline \text{⑦ 接続端子形成}&\text{パッド、RDL、バンプ}\cr\hline \text{⑧ 検査・実装}&\text{EO帯域、光損失、接続確認}\cr\hline \end{array}

#

工程・主な装置・技術

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{工程}&\text{主な装置・技術}\cr\hline \text{① 基板準備}&\text{単結晶、接合、薄化、CMP}\cr\hline \text{② ハードマスク形成}&\text{金属PVD・蒸着など}\cr\hline \text{③ 光導波路形成}&\text{露光、ICP-RIEなど}\cr\hline \text{④ 表面洗浄}&\text{ウェット・ドライ洗浄}\cr\hline \text{⑤ 絶縁膜形成}&\text{PECVDなど}\cr\hline \text{⑥ 電極形成}&\text{PVD・蒸着・めっき}\cr\hline \text{⑦ 接続端子形成}&\text{金属成膜、リソグラフィ、めっき}\cr\hline \text{⑧ 検査・実装}&\text{高周波・光学検査、フリップチップ}\cr\hline \end{array}

#

このうち、CVD・PVDとの関係が直接的なのは、ハードマスク、クラッド、電極形成などである。

#

PECVD――光導波路を保護する絶縁膜

#

リッジ型TFLN導波路では、形成した光導波路をSiO₂などの絶縁膜で覆う場合がある。

#

このクラッド形成にPECVDが用いられる。

#

ただし、クラッド膜は電気絶縁だけを目的とするものではない。

#

屈折率、光吸収、膜応力、膜厚、電極との距離などが光学性能へ影響する。

#

例えば、金属電極が導波路へ近づきすぎると、光が金属で吸収され、挿入損失が増加する場合がある。

#

一方、電極を遠ざけると電界と光モードの重なりが弱まり、変調効率が悪化する場合がある。

#

そのため、クラッド膜の厚さと電極配置は同時に設計しなければならない。

#

PVD・蒸着――高速電極を形成する

#

TFLN変調器では、Auなどの金属電極が広く研究・利用されている。

#

電極を形成する方法としては、PVDや電子ビーム蒸着、めっきなどがある。

#

例えば2026年の研究例では、600nmのTFLN層を持つ基板を利用し、Crハードマスク、ICPエッチング、金属電極、PECVDによるSiO₂クラッドを組み合わせた光変調器が製作されている。

#

別の研究例では、Au電極を電解めっきによって厚く形成している。

#

つまり、TFLN変調器の量産では、薄膜材料を堆積する工程と、厚い高周波金属配線を形成する工程の両方が必要になる。

#

ALD――主材料の形成ではなく、周辺機能の候補

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ALDは極薄膜・界面膜を高精度に形成できるが、現在の商用単結晶TFLNを直接作る主力方式ではない。

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一部の界面制御や特殊な絶縁・保護膜への応用は考えられるものの、TFLN普及が直ちにALD装置需要の急増を意味するとは限らない。

#

むしろ、TFLNと統合するSiPh、CMOS、Ge光検出器などの製造でALDが必要になる場合がある。

#

エッチング――成膜と同じくらい重要

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LiNbO₃のリッジ導波路を形成するには、LN膜を精密に除去する必要がある。

#

ここでは、加工後の側壁粗さが光の散乱損失へつながる。

#

また、エッチングによる材料の再付着や残渣が、光損失や不良の原因になることもある。

#

2024年12月、ULVACとSilicon Austria Labsは、TFLN量産向けプラズマエッチング技術の共同開発を発表した。

#

ULVACのNLD-5700を利用する計画であり、TFLNで求められる高精度な除去加工を支える技術開発である。

#

ここで重要なのは、TFLN産業の発展がPVDやCVDだけでなく、ドライエッチング装置にも需要を生む点である。

#

基板の加工前後を工程ごとの断面で並べる。薄化したLN、ハードマスク、リッジ導波路、SiO₂クラッド、金属電極、接続パッドをそれぞれ色分けする。

#

3-4-4　400G/レーンでは、電極とパッケージングが制約になる

#

TFLNの長所は、広い電気光学帯域幅と低駆動電圧を両立できる可能性にある。

#

しかし、変調器単体が高い帯域幅を持っていても、それだけで400Gbpsの光リンクが成立するわけではない。

#

高速な電気信号を、駆動回路からTFLN電極へ届けなければならない。

#

また、変調後の光を低損失で受光器まで伝え、正しく復調する必要がある。

#

400Gは何を意味するのか

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400Gbps/レーンとは、一本の光通信レーンが毎秒400ギガビット級の情報を伝えることを指す。

#

PAM4では、一つのシンボルが理想的に2ビットの情報を表す。

#

このため、単純な物理レートの計算では、200GbaudのPAM4は400Gbpsに相当する。

#

ただし、実際の通信ではFEC、符号化、信号整形などが関わるため、物理ビットレートと正味データレートは区別する必要がある。

#

また、400G/レーンに必要な変調器帯域幅が、すべての設計で一律150GHzになるわけではない。

#

変調方式、受信器、DSP、周波数応答、許容BERによって必要条件は変わる。

#

したがって、100GHz、130GHz、150GHzという数値だけで光リンク全体の実力を判断することはできない。

#

高周波電極の難しさ

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TFLN変調器では、進行波電極を利用する方式が重要になる。

#

電気信号と光信号が同じ方向へ進む場合、両者の伝搬速度を適切に近づけることで、長い変調領域でも効率的に電界を作用させられる。

#

しかし、周波数が高くなると金属電極の高周波損失、反射、インピーダンス不整合が問題になる。

#

ここで電極の厚さ、幅、間隔、表面状態が重要になる。

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高性能なTFLN膜を製造できても、電極設計や金属形成が不十分であれば、光変調器の性能を十分に発揮できない。

#

フリップチップとRDL

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さらに、駆動ICと変調器の接続も問題になる。

#

長いワイヤーで接続すると、寄生インダクタンスなどによって高周波信号が劣化する場合がある。

#

そこで、フリップチップ接合によって接続距離を短くする方法が有効になる。

#

RDL（再配線層）を使えば、チップ上の端子位置を実装側へ適合させることもできる。

#

接続材料には、Auバンプ、Cuピラー、はんだなど複数の選択肢がある。

#

Auバンプには接合性などの利点がある一方、金属材料費や工程適合性を考慮する必要がある。

#

Cuピラーなどが適した用途もあるため、TFLNの普及がすべて金バンプ需要に直結するわけではない。

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中央にTFLN導波路を置き、周囲に進行波電極、SiO₂クラッドを描く。右側には駆動IC、RDL、バンプの断面を配置。電気信号・光信号・熱の経路を区別する。

#

RFドライバは不要になるのか

#

TFLNの低駆動電圧は、専用の高出力ドライバ段を削減する可能性を持つ。

#

HyperLightはCMOS直接駆動に適したTFLNプラットフォームを訴求している。

#

しかし、これは高速電気回路そのものが不要になるという意味ではない。

#

信号を生成するDSP、DAC、必要な出力段、インピーダンス整合などは、構成に応じて必要になる。

#

より正確には、TFLNによって特定の駆動回路構成を簡略化できる可能性がある、ということである。

#

これは光モジュールの消費電力を減らす有力な方法だが、実際の効果はモジュール全体で評価する必要がある。

#

3-4-5　TFLNとSiPhは競合するのか、補完するのか

#

TFLNは、高速光変調器として大きな可能性を持つ。

#

しかし、SiPhのすべての機能をTFLNで置き換える必要はない。

#

SiPhは、シリコン導波路、光結合器、波長フィルター、Ge光検出器、電子回路との集積などで強みを持つ。

#

TFLNは、ポッケルス効果を利用する高速変調で強みを持つ。

#

また、光源にはInP系などのIII-V族半導体を利用できる。

#

このため、次のような役割分担が成立する。

#

材料・技術・主な役割

#

\small\begin{array}{|l|l|} \text{材料・技術}&\text{主な役割}\cr\hline \text{Si}&\text{光導波路、各種光回路}\cr\hline \text{SiN}&\text{低損失な受動光路}\cr\hline \text{TFLN}&\text{高速電気光学変調}\cr\hline \text{InP系}&\text{レーザー、光増幅}\cr\hline \text{Ge・GeSi}&\text{光検出器、変調器}\cr\hline \text{CMOS}&\text{DSP・駆動回路・制御}\cr\hline \end{array}

#

材料・技術・主な競争力

#

\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{材料・技術}&\text{主な競争力}\cr\hline \text{Si}&\text{CMOS製造基盤、集積密度}\cr\hline \text{SiN}&\text{光損失、波長特性}\cr\hline \text{TFLN}&\text{広帯域、低駆動電圧}\cr\hline \text{InP系}&\text{光の発生と増幅}\cr\hline \text{Ge・GeSi}&\text{シリコン製造基盤との親和性}\cr\hline \text{CMOS}&\text{電子信号処理、集積化}\cr\hline \end{array}

#

TFLNとSiNを組み合わせる研究では、SiN側に光導波路を形成し、TFLNの電気光学効果を利用する方式も実証されている。

#

この構成では、LNそのものを細かくエッチングせず、異種材料接合によって変調機能を実現することができる。

#

2025年のOFC報告では、SiN/TFLNをウエハレベルで接合し、LNをエッチングしない構成のMZMで110GHz超の帯域幅が報告された。

#

一方、2025年10月にはimecが300mm SiPhプラットフォーム上で、GeSi電界吸収型変調器による正味400Gbps/レーンを実証している。

#

このことは、400G/レーンの実現がTFLNだけに限定されないことを示す。

#

TFLNとSiPhの競争は、帯域幅だけで決まるわけではない。

#

変調器の面積、挿入損失、必要駆動電圧、外部レーザーとの接続、製造原価、量産歩留まりなどが関わる。

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さらにCPOでは、光変調器の性能だけでなく、ASICとの距離、冷却、パッケージサイズ、修理・交換の容易さも重要となる。

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一つのPICですべての光機能を作る図にはせず、受動光路、光源、変調器、受光器、電子回路を機能ごとに色分けする。

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3-4-6　世界の企業と量産状況――6インチから8インチへ

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2026年のTFLN市場で重要なのは、研究室の試作からファウンドリーを利用する商用製造へ移行する動きである。

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特にHyperLight、UMC、Wavetekの協力が重要な事例になる。

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HyperLight・UMC・Wavetek

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2026年3月12日、HyperLight、UMC、WavetekはTFLNの6インチ・8インチ製造について戦略的な協力を発表した。

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WavetekはUMC傘下の企業であり、HyperLightのTFLN技術について顧客認定を得た6インチ製造ラインを持つと説明されている。

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UMCは8インチの製造能力とファウンドリー基盤を提供する。

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HyperLightはTFLN変調器とPICの技術・製品設計を担う。

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この役割分担は、TFLN産業が材料・デバイス・製造ユーザーの分業へ進みつつあることを示している。

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なお、WavetekとUnimicronは異なる企業である。6インチTFLNラインについて公表された協力企業はWavetekである。

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翌3月13日には、Jabilとの協力も発表された。

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Jabilは光トランシーバーの製造・組立・システム統合を支える。

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これは、TFLNの製造競争がウエハ段階から最終モジュールの生産へ広がっていることを示す。

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ただし、顧客認定済みの6インチラインと、8インチ能力の拡張・立ち上げは区別する必要がある。

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村田製作所

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村田製作所は2026年3月、TFLN光変調器をOFCで展示した。

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同社は、100GHzを超える電気光学帯域幅と、400Gbps/ch PAM4対応を紹介している。

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さらに、LTCC基板や光電融合向けの実装技術も展示している。

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2026年10月の業界取材では、2026年第4四半期の初期サンプル完成、2028年の量産開始、2030年に800Gbps/chを目指す計画が報じられている。

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ただし、これらは開発・量産目標であり、2026年時点ですでに800Gbps/ch製品を量産しているという意味ではない。

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村田製作所の注目点は、TFLN変調器単体だけでなく、高周波電極、LTCC、実装、放熱などを組み合わせることにある。

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NGK

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NGKは、直接接合と精密研磨によるTFLN複合ウエハを開発している。

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2026年3月には8インチ品を初公開した。

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TFLNは従来の高品質薄膜を直接成膜する方式だけに依存しないため、単結晶の加工や接合に強みを持つ企業が重要になる。

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NGKの場合、表面弾性波フィルターなどで培った接合・薄化・研磨の技術を、光半導体向けに展開している。

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ULVACとSilicon Austria Labs

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ULVACとSilicon Austria Labsは、TFLN向けプラズマエッチング技術を共同開発している。

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ULVACのNLD-5700を利用する研究開発は、TFLNの光導波路加工に必要な技術を対象としている。

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TFLNの量産では、LiNbO₃を薄膜化する能力だけでなく、形成した膜を低損失な光導波路へ加工できるかが重要になる。

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このため、ドライエッチング装置にも産業上の機会が生まれる。

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3-4-7　ウエハ大口径化は装置・材料需要をどう変えるのか

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TFLNの生産能力拡大で重要になるのが、6インチから8インチへの移行である。

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150mmと200mmのウエハを比較すると、直径の比は約1.33倍である。

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幾何学的な面積比は、次のようになる。

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\frac{200^{2}}{150^{2}}\approx 1.78

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つまり、200mmウエハは150mmウエハの約1.78倍の面積を持つ。

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同じ寸法のチップを製造する場合、一枚から取得できるチップ数を増やせる可能性がある。

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しかし、良品数が必ず1.78倍になるわけではない。

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ウエハの外周部、膜厚均一性、エッチング加工、光結合部、欠陥、チップ面積などによって変わるからである。

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TFLNでは、特に次の項目が重要となる。

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{KPI}&\text{大口径化での技術的課題}\cr\hline \text{LN薄膜の厚さ}&\text{ウエハ全面の均一性}\cr\hline \text{結晶品質}&\text{加工・接合による欠陥}\cr\hline \text{接合界面}&\text{ボイド、剥離、汚染}\cr\hline \text{ウエハ反り}&\text{露光・加工・接合への影響}\cr\hline \text{導波路損失}&\text{エッチング後の側壁粗さ、膜質}\cr\hline \text{電極形成}&\text{Auなどの膜厚・幅・抵抗のばらつき}\cr\hline \text{高周波性能}&\text{電極寸法・接続長さの均一性}\cr\hline \text{光学検査}&\text{検査速度、測定再現性}\cr\hline \text{最終歩留まり}&\text{光結合、実装、信頼性試験}\cr\hline \end{array}

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大口径化が進む場合、既存の200mm対応製造設備を活用できる可能性がある。

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ただし、装置が200mmウエハへ対応していることと、TFLN工程で必要な膜質・加工精度を実現できることは別の問題である。

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量産能力を評価するときには、装置対応口径だけでなく、認定済みの加工条件、実効処理速度、歩留まりを確認する必要がある。

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3-4-8　TFLN普及で利益を得る可能性があるのは誰か

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TFLNの成長を成膜産業の観点から考える場合、完成した光変調器を販売する企業だけを調べるのでは不十分である。

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製造工程ごとに必要な装置・材料を分けて見る必要がある。

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供給領域・企業例

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{供給領域}&\text{企業例}\cr\hline \text{TFLN技術・PIC}&\text{HyperLight、村田製作所など}\cr\hline \text{TFLNファウンドリー}&\text{UMC、Wavetek}\cr\hline \text{複合ウエハ}&\text{NGKなど}\cr\hline \text{エッチング}&\text{ULVACなど}\cr\hline \text{PECVD・PVD}&\text{Applied Materials、ULVACなど}\cr\hline \text{CMP・精密加工}&\text{荏原など関連装置企業}\cr\hline \text{金属・めっき}&\text{MKS Atotech、JCU、上村工業など}\cr\hline \text{光モジュール実装}&\text{Jabilなど}\cr\hline \text{高周波・光計測}&\text{各種計測装置メーカー}\cr\hline \end{array}

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供給領域・注目する内容

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{供給領域}&\text{注目する内容}\cr\hline \text{TFLN技術・PIC}&\text{帯域幅、VπL、光損失、顧客認定}\cr\hline \text{TFLNファウンドリー}&\text{6/8インチ生産能力、歩留まり}\cr\hline \text{複合ウエハ}&\text{接合・研磨、膜厚均一性、欠陥}\cr\hline \text{エッチング}&\text{側壁粗さ、加工精度、再現性}\cr\hline \text{PECVD・PVD}&\text{絶縁膜・電極成膜への適用}\cr\hline \text{CMP・精密加工}&\text{表面品質、ウエハ反り、スループット}\cr\hline \text{金属・めっき}&\text{高周波電極、RDL、接続端子}\cr\hline \text{光モジュール実装}&\text{光結合、接合歩留まり、モジュール製造}\cr\hline \text{高周波・光計測}&\text{EO帯域、損失、RF特性、BER}\cr\hline \end{array}

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これらは機能別の調査候補である。特定企業がHyperLightやUMCのラインへ装置・材料を供給していることを直接示すものではない。

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重要なのは、TFLNで市場が拡大する際、どの工程が本当に不足するのかである。

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例えば、単結晶薄膜基板の供給が不足していれば、接合・研磨と材料企業の価値が高まる可能性がある。

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導波路加工の歩留まりが制約であれば、プラズマエッチングと表面処理が重要になる。

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高速電極の製造が難しければ、PVD、めっき、金属材料、RF設計が重要になる。

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最後の接合や光検査に制約があれば、ファウンドリーのウエハ生産能力を増やしても最終製品の供給量は増えない。

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光半導体の装置需要は、TFLNウエハの製造枚数だけでなく、最終的な良品変調器・光エンジンを完成させるために必要な工程能力によって決まる。

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完成品までを工程連鎖として描き、材料企業、装置企業、ファウンドリー、実装企業を分ける。受注・顧客認定・量産の段階が異なる企業を同一の実績として表示しない。

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3-4-9　TFLNの競争相手はSiPhだけではない――KNNという新しい成膜材料

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TFLNの主流製造では、単結晶LiNbO₃を薄膜化して利用する。

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しかし、光変調器に必要な電気光学特性を、別の材料で実現する研究も進んでいる。

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その一つが、KNN（ニオブ酸カリウムナトリウム）である。

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2026年9月28日、住友化学と九州大学はKNN薄膜基板を利用した光変調器について、180Gbaudの動作とVπL 0.7V·cm未満を実証したと発表した。

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同社は、比較対象とした代表的なTFLN変調器よりも約3倍の変調効率に相当すると説明している。

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ただし、これは特定の代表値との比較であり、すべてのTFLN変調器に対する優位性を意味するものではない。

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特に産業上重要なのは、KNNがスパッタリングで薄膜形成できる可能性を持つことである。

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TFLNでは単結晶薄膜の転写・接合・研磨が重要となる。

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一方、KNNをスパッタリングによって高品質に形成できれば、PVD系装置を使って機能性の電気光学膜を直接作る製造経路が有力になる可能性がある。

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ただし、高い電気光学特性を実験で実証することと、その膜を大口径ウエハへ均一に形成し、量産歩留まりを確立することは異なる。

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また、今回のKNN実証は180GbaudのOOK変調であり、400Gbps PAM4の量産実績を示すものではない。

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KNNには、長期信頼性、光損失、結晶品質、CMOSとの工程互換性、量産コストなど、今後確認すべき項目がある。

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それでも、この技術が持つ産業的な意味は大きい。

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TFLNが主流になる場合は、単結晶薄膜・接合・研磨の価値が高まり、直接成膜型のKNNが発展すれば、PVDによる機能性薄膜形成の価値が高まる可能性がある。

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今後の光変調器材料の競争は、素子の帯域幅だけでなく、材料をどのように作るかという製造方式の競争でもある。

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SiPhの既存シリコン層・Geエピ、TFLNの単結晶転写、KNNのスパッタリングを比較する。装置・材料の違いと、研究・量産段階を同時に表示する。

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結論――TFLNは成膜装置需要を増やすだけでなく、製造の価値を再配分する

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TFLNは、高速光変調器に必要な広帯域・低駆動電圧・低光損失を両立するための有力な材料である。

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その中心には、ポッケルス効果を持つ高品質なLiNbO₃結晶がある。

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しかし、単結晶LiNbO₃を利用するということは、必ずしもCVDによって新しい結晶膜を堆積することを意味しない。

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TFLNでは、単結晶を薄く取り出し、別の支持基板へ接合し、高精度で加工する技術が重要になる。

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その後、PECVDによる絶縁膜、PVDや蒸着による金属膜、めっきによる高周波電極、ドライエッチングによる光導波路加工、フリップチップによる高速接続などが組み合わされる。

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したがって、TFLNの量産拡大は、一つの成膜方式だけに需要を集中させるとは限らない。

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単結晶基板・精密接合・研磨・エッチング・金属形成・高周波実装を横断して、製造能力への要求を高める可能性がある。

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さらに、TFLNがシリコンフォトニクスを完全に置き換えるとは限らない。

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SiやSiNの光導波路、InPレーザー、Ge光検出器、CMOS信号処理と組み合わせることで、それぞれの材料の強みを活用できる。

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2026年のHyperLight・UMC・Wavetekによる製造協力や、村田製作所の開発計画は、このような光変調器の量産・実装技術が次の競争段階へ進みつつあることを示している。

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一方、SiPh上のGeSi変調器や、スパッタリング可能なKNNなどの競合技術も進歩している。

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最終的な勝敗は、光変調器単体の性能だけでは決まらない。

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製造原価、良品歩留まり、接続損失、消費電力、パッケージ面積、量産能力、顧客認定まで含めて評価する必要がある。

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TFLNの技術的な価値は、高速に光を変調できることにある。しかし、産業的な価値がどの企業へ帰属するかは、その高性能な結晶を大量生産できるか、低損失な光導波路と電極へ加工できるか、そして完成した光エンジンとして安定供給できるかによって決まる。

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これは、光半導体の製造工程を考えるうえで、CVD・PVD・ALD・エピタキシャル成長と同じくらい、薄膜転写・精密研磨・接合・実装が重要であることを示している。

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2026年10月23日時点。企業による性能発表、研究実証、顧客認定、量産開始および将来計画は区別して記載した。

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4　InPレーザー――MOCVDで光を生み出す結晶を作る

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4-1　なぜInPが必要になるのか

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InPはIII-V族化合物半導体の一種である。

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III-V族とは、周期表のIII族とV族に属する元素の組み合わせから構成される半導体材料群を指す。

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InP系の結晶材料は、1.3µmや1.55µm付近の通信波長帯で利用される半導体レーザーに適している。

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重要なのは、光を発生させるための活性層を高品質に形成できることである。

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光半導体では、結晶欠陥が非発光再結合の増加や発光効率の低下、信頼性問題につながる場合がある。

#

そのため、光源の製造では結晶品質が特に重要となる。

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4-2　InPレーザーの断面

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代表的なInP系レーザーは、InP基板上に複数の半導体結晶層を形成して作られる。

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構造には、クラッド層、導波層、活性層、電極などがある。

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活性層には、InGaAsPやInAlGaAs系の量子井戸構造が用いられることがある。

#

量子井戸とは、異なるバンド構造を持つ半導体材料を薄い層として組み合わせ、電子と正孔の状態を制御する構造である。

#

この量子井戸の厚さや組成を変化させることで、発光波長や利得特性を制御できる。

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出典：

T02

AIXTRON：MOCVDの基本原理 https://www.aixtron.com/en/innovation/technologies/mocvd

T07

Lumentum：DFBとEAMを集積したEML https://www.lumentum.com/en/products/eml-100g-pam4-cwdm-laser

T08

Coherent：InPベースの光源・EML・受光器 https://www.coherent.com/news/press-releases/coherent-demonstrates-inp-technology-innovation

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4-3　MOCVDによる結晶成長

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InPレーザーの結晶成長には、MOCVDが重要な役割を持つ。

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MOCVDは金属有機化学気相成長法であり、CVDの一方式である。

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In、Ga、Alなどの原料を金属有機前駆体として供給し、PやAsを含む原料と反応させることで結晶を成長させる。

#

例えば、InP系のMOCVDではトリメチルインジウムなどの金属有機原料と、リンを供給する原料が使われる。

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実際の成長では、原料供給量、温度、反応副生成物、表面状態を制御する必要がある。

#

ここで重要なのが、量子井戸と障壁層の切り替えである。

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複数の異なる結晶層を成長させるため、前駆体の供給条件を切り替えながら、膜厚や組成を制御する。

#

境界が不均一になれば、発光波長やレーザーのしきい値、温度特性が変化する可能性がある。

#

したがって、MOCVD装置には、高い結晶品質だけでなく、反応切り替えの再現性とウエハ内の均一性が求められる。

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出典：

T02

AIXTRON：MOCVDの基本原理 https://www.aixtron.com/en/innovation/technologies/mocvd

T09

Stanford Nanofabrication Facility：III-V MOCVDの機能 https://snfguide.stanford.edu/guide/equipment/aixtron-mocvd-iii-v-system-aix200

T16

AIXTRON：MOCVDガス供給・均一成長の原理 https://www.aixtron.com/en/innovation/technologies/planetary-principle

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4-4　DFBレーザーの回折格子と再成長

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通信向けレーザーでは、DFB（Distributed Feedback）レーザーが重要である。

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DFBレーザーでは、光導波路に沿った周期的な回折格子を利用して、特定の波長で発振しやすくする。

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この回折格子を製造するには、リソグラフィとエッチングが利用される。

#

その後、必要に応じて結晶を再び成長させ、格子を埋め込む場合がある。

#

つまり、MOCVDで結晶を成長させたあと、表面を加工し、再びエピタキシャル成長を行う工程が存在する。

#

ここで問題となるのが、再成長前の表面状態である。

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自然酸化膜や加工残渣が残っていれば、結晶欠陥が増える可能性がある。

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そのため、InPレーザーはMOCVD装置だけで製造されるわけではない。

#

ウェット洗浄、ドライ加工、表面処理、結晶成長が互いに依存している。

#

4-5　レーザー端面の光学膜

#

さらに、レーザーの端面には光の反射率を調整する薄膜が形成される場合がある。

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反射率を下げるAR（Anti-Reflection）膜、反射率を高めるHR（High-Reflection）膜などである。

#

これらは、光学干渉を利用して反射・透過特性を制御する。

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例えば、単純な四分の一波長膜では、膜内の光学距離が波長の4分の1になるような厚さが設計される。

#

t=\frac{\lambda_0}{4n}

#

ここで、tは膜厚、λ₀は真空中の設計波長、nは膜の屈折率である。

#

これは単層膜の基本的な近似であり、実際の多層光学膜では各層の屈折率、光学位相、基板、入射角などを考慮する必要がある。

#

レーザー端面では、この光学膜の厚さや品質が性能と信頼性に関係する。

#

そのため、IBD（Ion Beam Deposition）などの高精度な物理成膜技術が使われる。

#

IBDはPVD系の技術であり、イオンビームを利用して膜材料をスパッタし、精密な光学膜を形成する方式である。イオン注入工程とは異なる。

#

VeecoはInPレーザー向けに、MOCVD装置Luminaと、端面光学膜を形成するSpector IBDを供給している。

#

この二つは異なる装置であるが、同じレーザーの性能を成立させるために必要になる。

#

出典：

T02

AIXTRON：MOCVDの基本原理 https://www.aixtron.com/en/innovation/technologies/mocvd

T07

Lumentum：DFBとEAMを集積したEML https://www.lumentum.com/en/products/eml-100g-pam4-cwdm-laser

T08

Coherent：InPベースの光源・EML・受光器 https://www.coherent.com/news/press-releases/coherent-demonstrates-inp-technology-innovation

T09

Stanford Nanofabrication Facility：III-V MOCVDの機能 https://snfguide.stanford.edu/guide/equipment/aixtron-mocvd-iii-v-system-aix200

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出典：

T18

Thorlabs：端面反射率とレーザー利得チップ https://www.thorlabs.com/NewGroupPage9_PF.cfm?Category_ID=220&Guide=10&ObjectGroup_ID=3944

T19

Denton Vacuum：半導体レーザー端面のAR/HR成膜 https://www.dentonvacuum.com/markets-applications/opto-electronics/lasers/

T20

Ushio：AR端面コーティングの半導体レーザー https://www.ushio.co.jp/en/laser/ushio-laser/product/ar-coated.html

#

5　EML――レーザーと変調器を一つにする

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5-1　EMLの構造

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EMLは、DFBレーザーと電界吸収型変調器（EAM）を集積したデバイスである。

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DFBレーザーは光を発生させ、EAMはその光の吸収量を電界によって制御する。

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このとき、量子井戸構造における光吸収特性の電界依存性を利用する場合がある。

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代表的な効果が量子閉じ込めシュタルク効果（QCSE）である。

#

電界によって量子井戸内の電子状態が変化し、光吸収の特性も変わる。

#

これにより、レーザー自体を直接高速にON/OFFするのではなく、発生した光を高速に変調できる。

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出典：

T07

Lumentum：DFBとEAMを集積したEML https://www.lumentum.com/en/products/eml-100g-pam4-cwdm-laser

T08

Coherent：InPベースの光源・EML・受光器 https://www.coherent.com/news/press-releases/coherent-demonstrates-inp-technology-innovation

T17

Zhou et al.：バットジョイント成長によるEMLの原著論文 https://www.mdpi.com/2304-6732/9/10/780

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5-2　EMLでは複数のエピ工程が必要になることがある

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DFBレーザーとEAMでは、必要な量子井戸や材料構造が異なる場合がある。

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そのため、それぞれの領域を個別に最適化する目的で、選択的なエピタキシャル成長や再成長が利用される。

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例えば、レーザー領域と変調器領域を突き合わせるバットジョイント再成長などの方式がある。

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ただし、すべてのEMLが同じ工程構成を使うわけではない。

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共通の活性層を利用する方式や、選択成長によって局所的なバンドギャップを変える方式も存在する。

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重要なのは、単一のDFBレーザーと比較して、レーザー・変調器間の界面や光結合の品質が新たな課題になることである。

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5-3　CWレーザー・EML・VCSELの違い

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{光源・デバイス} & \text{特徴}\cr\hline \text{InP CWレーザー} & \text{連続光を発生させ、外部変調器と組み合わせる}\cr\hline \text{InP DFBレーザー} & \text{周期構造を使って発振波長を制御}\cr\hline \text{InP EML} & \text{DFBレーザーとEAMを一体化}\cr\hline \text{GaAs系VCSEL} & \text{主に基板面に垂直な方向へ発光}\cr\hline \text{SiPh＋外部レーザー} & \text{光源と変調回路を別々に製造}\cr\hline \end{array}

#

\small\begin{array}{|l|l|} \text{光源・デバイス} & \text{主な成膜・結晶技術}\cr\hline \text{InP CWレーザー} & \text{InP系MOCVD、端面光学膜}\cr\hline \text{InP DFBレーザー} & \text{MOCVD、回折格子形成、再成長}\cr\hline \text{InP EML} & \text{MOCVD、選択エピ、再成長、金属・絶縁膜}\cr\hline \text{GaAs系VCSEL} & \text{GaAs系MOCVD・MBE、多層反射鏡}\cr\hline \text{SiPh＋外部レーザー} & \text{SiPhのCVD/PVD/エピ＋InP光源}\cr\hline \end{array}

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SiPhを利用するCPOでは、外部CWレーザーから供給された光をPIC上の変調器で変調する構成がある。

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一方、EMLはレーザーと変調器が一体化しているため、一般的な外部CWレーザー＋SiPh変調器という構成とは役割が異なる。

#

両者は、製品用途に応じて競合・併存する。

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2026年3月、Coherentは400mW級InP CWレーザーや200G EML、次世代の400G/レーン技術などを公表した。

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これらは異なる光接続アーキテクチャに対応する製品群であり、すべてが同じCPO構成に必要なわけではない。

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出典：Coherent：OFC 2026 InP製品発表

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※先の会話に出てきた「EMS」がEMLを指している場合、本節が該当する。光MEMSを指す場合は、微小ミラーや可動導波路など、別の素子製造分野となる。

#

6　Ge光検出器――選択エピタキシーで受信側を作る

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光通信では、送信側だけでなく受信側も重要である。

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光ファイバーから届いた光を電気信号に変換するには、光検出器が必要になる。

#

SiPhでは、GeやGeSiを用いた光検出器が重要な役割を持つ。

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6-1　なぜGeを利用するのか

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Geは、シリコンよりも通信波長帯での光吸収に適した特性を持つ。

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そのため、シリコン導波路とGe系光吸収層を組み合わせることで、光を電流へ変換する素子を形成できる。

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ここでは、Geの結晶成長が重要になる。

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例えば、シリコン上の特定の領域へGeをエピタキシャル成長させる方式が利用される。

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選択Ge成長では、成膜する領域の表面状態や結晶構造を制御しなければならない。

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また、SiとGeでは格子定数が異なるため、結晶欠陥やひずみの制御も重要になる。

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6-2　PIN型とAPD

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光検出器には、PINフォトダイオードやAPD（Avalanche Photodiode）などがある。

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PINフォトダイオードでは、光によって生じた電子と正孔を電界で分離し、電流として取り出す。

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APDでは、内部の電界によってキャリアを増倍させ、より弱い光信号を検出しやすくする。

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ただし、増倍によって雑音や消費電力、動作電圧などの課題も生じる。

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2026年9月21日、imecは300mm SiPhプラットフォーム上で、100GHz帯域、5V動作、1.8A/Wの応答度を持つGe/Si APDを発表した。

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同社は、このAPDを用いた正味400Gbpsの光リンク実証と、受信感度の約3dB改善を公表している。

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これは、受信器の改善によって、必要なレーザー出力の低減や許容できる光損失の増加につながる可能性を示す。

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ただし、これは研究実証段階の成果であり、量産採用や長期信頼性が確立されたという意味ではない。

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出典：imec：2026年9月 Ge/Si APD 400Gbps実証

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6-3　レーザーと受光器は別の成膜供給網を持つ

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ここで産業的に重要なのは、InP光源とGe光検出器が異なる材料系を持つことである。

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InPレーザーでは、化合物半導体基板とMOCVDによる多層結晶成長が重要になる。

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Ge光検出器では、SiPh製造ラインとGeの選択エピタキシャル成長が重要になる。

#

つまり、光リンクが高速化すると、レーザー側と受光器側の両方で異なる製造装置への需要が生じ得る。

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出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T10

imec：SOIとGe受光器を用いるSiPh製造 https://www.imec-int.com/en/imec-magazine/imec-magazine-may-2017/new-silicon-photonics-technology-delivers-faster-data-traffic-in-data-centers

T11

imec：Ge吸収・Si増倍を用いるAPDの研究例 https://www.imec-int.com/en/press/imec-debuts-100-ghz-gesi-avalanche-photodiode-apd-enabling-net-400-gbps-data-reception-just-5

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7　SiPhとInPをどう接続するのか――異種材料集積

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ここまで見てきたように、SiPhとInPでは得意な役割が異なる。

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SiPhは、大規模な光回路と電子回路を統合しやすい。

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一方、InPは、通信波長帯の光源などを製造するために重要な材料である。

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そのため、両者を組み合わせる技術が必要になる。

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代表的な方法には、フリップチップ実装、ウェーハ接合、マイクロトランスファープリンティングなどがある。

#

7-1　フリップチップ実装

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別の製造ラインで作ったInPレーザーを、SiPhチップへ高精度に配置する。

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ここでは、レーザーから出る光をSiPhの導波路へ効率よく結合させる必要がある。

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位置がずれると、光結合損失が増加する。

#

したがって、接合装置の位置合わせ精度が重要になる。

#

imec、Sivers Photonics、ASM AMICRAは2021年、InP DFBレーザーを300mm SiPhウエハへ実装する技術を公表した。

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これは光半導体において、結晶を作る工程と、異なる材料を接合する工程の両方が重要であることを示す事例である。

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7-2　マイクロトランスファープリンティング

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微小なIII-V族半導体デバイスを別のウエハから取り出し、シリコン光回路上の必要な場所へ移す方式である。

#

この方法では、光源材料を全面に形成する必要がなく、必要な部品だけを配置できる可能性がある。

#

一方、高精度な位置合わせ、接合の信頼性、転写時間、歩留まりを改善する必要がある。

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7-3　ウェーハ接合

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InP系材料や別の光学機能材料を、SiPhウエハへ接合する方法もある。

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この場合、接合面の清浄度、表面粗さ、平坦性、材料間の熱膨張差などが重要になる。

#

接合の前にALDやCVDなどで界面や保護膜を形成する場合もあるが、具体的な工程は材料系と接合方式に依存する。

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ここで光半導体は、成膜技術だけでなく、CMP、洗浄、表面活性化、接合技術とも強くつながってくる。

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8　CPO――光エンジンをASICの近くへ配置する

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8-1　CPOとは何か

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CPOはCo-Packaged Opticsの略である。

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これは成膜方式の名称ではなく、光エンジンとASICなどを同じパッケージ、または近接したパッケージ構造に統合する技術である。

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従来のプラガブル光モジュールでは、スイッチASICからモジュールまで高速電気信号を伝える必要がある。

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CPOでは、光エンジンをASICに近づけることで、この電気配線の距離を短縮し、高速信号の伝送に必要な電力を減らすことを目指す。

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ただし、CPOでも電気配線が消えるわけではない。

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ASIC、光エンジン、レーザードライバ、TIA、電源、光ファイバーなどを接続する必要がある。

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また、冷却、修理、交換、信頼性という新しい問題が生じる。

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8-2　CPO光エンジンの構成

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代表的な構成では、次の部品が必要になる。

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{部品} & \text{役割}\cr\hline \text{スイッチASIC} & \text{電気信号の処理}\cr\hline \text{PIC} & \text{光導波路、変調器、光検出器など}\cr\hline \text{EIC} & \text{変調器ドライバ、TIAなどの電子回路}\cr\hline \text{外部レーザー} & \text{PICへ連続光を供給する構成で使用}\cr\hline \text{光ファイバー結合} & \text{パッケージと外部光回路を接続}\cr\hline \text{インターポーザ・基板} & \text{電気接続、機械支持、熱・信号制御}\cr\hline \text{冷却・温度制御} & \text{ASICと光部品の温度を管理}\cr\hline \end{array}

#

PICとEICには異なる製造プロセスが使われる場合がある。

#

PICはSiPh製造技術を利用し、EICはCMOSやBiCMOSなどを利用する。

#

これらを近接接続するため、先端実装技術が必要になる。

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8-3　外部レーザーが重要になる理由

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InPレーザーは温度によって性能が変化する。

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一方、ASICは大きな熱を発生させる。

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そのため、レーザーを熱源から離れた位置へ配置し、光ファイバーなどで光を供給するELS（External Laser Source）方式が検討・採用されている。

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外部レーザーを利用すれば、レーザーの冷却や交換を容易にできる場合がある。

#

ただし、外部レーザーからPICまでの光結合損失、ファイバー配線、偏波管理、装置の信頼性などが新たな制約になる。

#

また、CPOの設計によってはレーザーの実装位置や必要数が異なる。

#

レーザー一個が光レーン一つに対応するとは限らず、光の分配方法や波長多重化によって必要な光源構成が変わる。

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出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T04

imec：LPCVD・PECVD SiNフォトニクス https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/silicon-nitride

T12

Coherent：外部レーザーを用いるCPOの実証例 https://coherent-prod1.adobemsbasic.com/news/press-releases/coherent-co-packaged-optics-cpo-technologies-ofc-2026

#

8-4　2026年のCPO実証

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2026年3月、Coherentは6.4TbpsのSiPhベースCPOと外部InPレーザーを組み合わせた実証を発表した。

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この例では、32レーン×200Gbpsという構成が示されている。

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また、同社はVCSELを利用した別のCPO方式や、InP変調器をシリコンへ組み合わせる方式も展示した。

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ここで重要なのは、CPOにも複数のアーキテクチャが存在することである。

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すべてのCPOでInPレーザー、SiPh PIC、VCSELが同時に必要になるわけではない。

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出典：Coherent：OFC 2026 CPO技術実証

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出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T03

Coherent：CW-DFB InPレーザーとSiPh https://www.coherent.com/news/press-releases/high-efficiency-lasers-for-silicon-photonics-transceivers

T12

Coherent：外部レーザーを用いるCPOの実証例 https://coherent-prod1.adobemsbasic.com/news/press-releases/coherent-co-packaged-optics-cpo-technologies-ofc-2026

#

9　光半導体の製造に必要な装置・材料の供給網

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光半導体の量産を成立させるには、完成した光デバイスメーカーだけでなく、上流の基板・原料、結晶成長、光学膜、実装装置まで見る必要がある。

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9-1　工程別の供給企業

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{工程} & \text{主な技術・装置}\cr\hline \text{InP基板} & \text{結晶成長、切断、研磨}\cr\hline \text{InPエピウエハ} & \text{MOCVD、多層結晶成長}\cr\hline \text{InPレーザー用MOCVD装置} & \text{GaAs・InP系エピタキシー}\cr\hline \text{レーザー端面膜} & \text{IBDなどの光学薄膜成膜}\cr\hline \text{Si・SiN導波路} & \text{LPCVD、PECVD、リソグラフィ、エッチング}\cr\hline \text{Ge検出器} & \text{Ge系エピ、ドーピング、金属形成}\cr\hline \text{電極・絶縁膜} & \text{PVD、CVD、ALD}\cr\hline \text{PIC・EIC接合} & \text{フリップチップ、ハイブリッド接合}\cr\hline \text{光学実装} & \text{高精度位置合わせ、光ファイバー接合}\cr\hline \text{光検査} & \text{光出力、波長、損失、BERなどの測定}\cr\hline \end{array}

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{工程} & \text{企業例}\cr\hline \text{InP基板} & \text{住友電工などの基板メーカー}\cr\hline \text{InPエピウエハ} & \text{住友化学など}\cr\hline \text{InPレーザー用MOCVD装置} & \text{AIXTRON、Veeco}\cr\hline \text{レーザー端面膜} & \text{Veeco}\cr\hline \text{Si・SiN導波路} & \text{SiPhファウンドリー}\cr\hline \text{Ge検出器} & \text{SiPhファウンドリー}\cr\hline \text{電極・絶縁膜} & \text{各種装置・材料メーカー}\cr\hline \text{PIC・EIC接合} & \text{先端実装装置メーカー}\cr\hline \text{光学実装} & \text{光実装装置メーカー}\cr\hline \text{光検査} & \text{光計測装置メーカー}\cr\hline \end{array}

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この表は機能別の企業例であり、各企業が同じ顧客に直接供給していることを意味しない。

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9-2　InP基板とInPエピウエハは別の製品

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InP基板は、結晶成長した材料をウエハとして加工したものである。

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InPエピウエハは、その基板上にさらに機能性の結晶層を成長させたものである。

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そのため、InP基板の生産能力と、光デバイス向けエピウエハの生産能力は異なる。

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2026年8月31日、住友化学は茨城工場で4インチInPエピウエハの量産体制を構築し、販売を開始したと発表した。

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これは、基板材料だけでなく、エピタキシャル成長の量産能力そのものが重要な産業領域であることを示す。

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出典：住友化学：2026年8月 InPエピウエハ量産開始

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9-3　SiPhとInPは同じウエハ口径ではない

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SiPhは200mmや300mmのシリコン製造基盤を活用できる。

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一方、InPレーザー製造では75mm、100mm、150mmなどの基板が利用され、より大きな口径への移行が進められている。

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例えば150mmウエハは、75mmウエハと比較すると、単純な幾何学的面積が約4倍になる。

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しかし、得られる良品数が必ず4倍になるわけではない。

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ウエハ外周の利用できない領域、結晶欠陥、エピ均一性、加工歩留まり、装置能力などが異なるためである。

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また、SiPhが300mmに対応していても、光源となるInP側の供給能力がそれに追いつくとは限らない。

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これが光半導体の供給制約を分析するうえで、非常に重要な論点となる。

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10　2026年の光半導体・成膜装置の量産競争

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10-1　Veeco――2億5,000万ドル超の装置受注

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2026年5月5日、VeecoはInPレーザー製造向けに、合計2億5,000万ドル超の装置受注を獲得したと発表した。

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対象は、Lumina MOCVD、Spector IBD、WaferEtchウェット加工装置である。

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顧客は複数社であり、2026年に出荷が始まり、2027年に加速する計画だとしている。

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ここで重要なのは、受注がMOCVDだけではないことである。

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InPレーザーの結晶成長、光学膜、ウェット加工という異なる製造工程に同時に需要が発生している。

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また、この2億5,000万ドルは三つの装置分野の合計受注額であり、InPレーザー用MOCVD市場そのものの規模やVeecoの年間売上を示す数字ではない。

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出典：Veeco：2026年5月 InPレーザー装置受注

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10-2　AIXTRON――InP系エピ装置の需要拡大

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AIXTRONはGaAs・InP系のMOCVD装置G10-AsPを展開している。

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2026年5月19日、同社はLumentumからG10-AsPの複数受注を獲得したと発表した。

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この装置は、InP系レーザーや検出器などの製造に利用される。

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また、10月15日に発表した2026年第3四半期の暫定決算では、受注高が約2億7,500万ユーロとなった。

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前年同期の約1億2,400万ユーロから大きく増加している。

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同社は、この受注増の主な要因としてAIデータセンター通信向けレーザー製造装置への需要を挙げている。

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ただし、2億7,500万ユーロはAIXTRONの会社全体の受注高であり、そのすべてがInP用MOCVD装置の受注という意味ではない。

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正式な第3四半期決算は2026年10月29日に発表される予定であり、本稿時点では暫定値である。

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出典：AIXTRON：Lumentumからの装置受注

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出典：AIXTRON：2026年10月15日暫定Q3決算

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10-3　Coherent――6インチInPの拡大

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CoherentはInPレーザー、EML、光検出器などを幅広く展開している。

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同社は2026年3月、米国Sherman、スウェーデンJärfälla、スイスZürichの拠点で6インチInPの製造能力を拡大していると説明した。

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この動きは、InPレーザー製造の大口径化と、光部品の生産量拡大を目指すものと考えられる。

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ただし、基板口径の拡大だけでなく、エピ品質、加工工程、検査、組立、顧客認定まで含めた良品供給能力を確認する必要がある。

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出典：Coherent：2026年3月 InP製品と製造能力

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10-4　Tower Semiconductor――日本の300mm SiPh増産

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2026年7月14日、Tower Semiconductorは日本で300mm SiPh、SiGe、先端パッケージングの生産能力を拡大する計画を発表した。

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計画では、新潟県妙高市の新井工場を活用し、富山県魚津市のFab 7と組み合わせて能力を拡大する。

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第一段階の量産準備完了目標は2027年第4四半期である。

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これはSiPhの製造能力拡大を示すものであり、InPレーザーの生産能力拡大と同じ意味ではない。

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ただし、SiPhの量産能力が増えれば、対応するレーザー、検出器、実装、光検査などにも需要が及ぶ可能性がある。

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出典：Tower Semiconductor：日本におけるSiPh能力拡大

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10-5　imec・New Origin――SiN導波路の量産拡大

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2026年3月、imecとNew Originは、低損失SiNフォトニクス技術を200mmウエハの産業製造へ展開する協力を発表した。

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対象となるのは、imecが開発したLPCVD SiNプラットフォームである。

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New Originは年間5万枚規模の生産能力を将来的に目指す計画を説明している。

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これは現在すでに年間5万枚を量産していることを意味しない。

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しかし、低損失SiN導波路の研究から商用ファウンドリーサービスへの展開が進んでいることを示す。

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出典：imec：New OriginとのSiN製造協力

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11　光半導体の量産ボトルネック――SiPhとInPのどちらが不足するのか

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光半導体の供給制約を調べる際には、SiPhウエハの製造能力だけを確認しても十分ではない。

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光エンジンを完成させるには、レーザー、PIC、EIC、光結合、パッケージング、検査が必要になる。

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それぞれの工程に異なる供給制約が存在する。

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11-1　完成数は複数工程の能力に制限される

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仮に、ある光エンジンでSiPh PIC一個と、良品のInPレーザー二個が必要になるとする。

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月間に利用できる良品PICが10,000個、良品レーザーが24,000個であれば、材料段階での最大組立数は次のようになる。

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N_{\mathrm{assembly}}=\min\left(N_{\mathrm{PIC}},\frac{N_{\mathrm{laser}}}{2}\right)

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この場合、最大10,000個となる。

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さらに、レーザー接合歩留まりを90％、最終的な光学検査歩留まりを90％と仮定すると、

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10{,}000\times0.9\times0.9=8{,}100

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となり、最終的に8,100個の良品光エンジンを得る計算になる。

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これは説明用の仮定であり、特定企業の製造実績やCPO設計を示したものではない。

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実際には必要なレーザー数、EIC、光ファイバー結合、熱試験などが構成によって異なる。

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重要なのは、InPレーザーを増産するだけでも、SiPh PICを増産するだけでも、必ずしも完成光エンジンの供給能力は増えないということである。

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11-2　光パワーバジェット

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光通信では、送信側の光出力から伝送損失を差し引いた光が受信器へ届く。

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dBとdBmを利用すると、簡単なリンクバジェットは次の形になる。

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P_{\mathrm{RX,dBm}}=P_{\mathrm{TX,dBm}}-L_{\mathrm{waveguide}}-L_{\mathrm{modulator}}-L_{\mathrm{coupling}}-L_{\mathrm{fiber}}-L_{\mathrm{other}}

#

ここで、P_TXは送信側の光出力、P_RXは受信側の光出力である。

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各Lは、該当する部分の損失をdBで表したものである。

#

光導波路の損失を減らせれば、受信側に届く光が増える。

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レーザーの効率を改善できれば、必要な電力を減らせる可能性がある。

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光ファイバー結合損失を抑えれば、光源に要求される出力を減らせる場合がある。

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また、受光器の感度を改善すれば、同じ光出力でも信号を受信しやすくなる。

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ただし、こうした改善が直接同じ比率でシステム全体の消費電力低減につながるとは限らない。

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変調器、ドライバ、受信回路、温度制御、DSPなどにも電力が必要になるからである。

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出典：

T14

FOA：光パワー・損失の測定と単位 https://www.thefoa.org/tech/ref/testing/test/power.html

T15

FOA：光リンクの損失とパワーバジェット https://www.thefoa.org/tech/lossbudg.htm

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11-3　光半導体の主要な量産KPI

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{工程・部品} & \text{KPI}\cr\hline \text{SiN成膜} & \text{膜中不純物、応力、屈折率、膜厚}\cr\hline \text{Si導波路加工} & \text{幅、側壁粗さ、寸法均一性}\cr\hline \text{InP基板} & \text{欠陥、口径、表面品質}\cr\hline \text{InPエピ} & \text{MQW組成、膜厚、結晶欠陥}\cr\hline \text{DFB加工} & \text{回折格子周期、加工精度}\cr\hline \text{端面光学膜} & \text{反射率、吸収、膜厚、耐久性}\cr\hline \text{Geエピ・受光器} & \text{暗電流、応答度、帯域}\cr\hline \text{異種材料接合} & \text{位置合わせ、接合欠陥}\cr\hline \text{光ファイバー接続} & \text{結合損失、機械・熱安定性}\cr\hline \text{CPO最終検査} & \text{BER、温度特性、寿命}\cr\hline \end{array}

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{工程・部品} & \text{問題が生じると}\cr\hline \text{SiN成膜} & \text{光損失、亀裂、波長ずれ}\cr\hline \text{Si導波路加工} & \text{散乱損失、光結合不良}\cr\hline \text{InP基板} & \text{エピ歩留まりの低下}\cr\hline \text{InPエピ} & \text{発光波長・光出力・信頼性の悪化}\cr\hline \text{DFB加工} & \text{発振波長、単一モード特性}\cr\hline \text{端面光学膜} & \text{出力損失、端面劣化}\cr\hline \text{Geエピ・受光器} & \text{受信感度・通信品質の悪化}\cr\hline \text{異種材料接合} & \text{光結合損失、歩留まり低下}\cr\hline \text{光ファイバー接続} & \text{リンクマージン、信頼性の悪化}\cr\hline \text{CPO最終検査} & \text{完成品の歩留まり低下}\cr\hline \end{array}

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特に重要なのは、結晶成長と光学実装である。

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結晶成長はレーザー自体の性能を決める。

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一方、光学実装は、そのレーザーの光を実際に必要な場所へ届けられるかを決める。

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両者のどちらかが不足しても、最終製品の性能は成立しない。

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出典：

T01

imec：SiPhプラットフォーム・基本部品 https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/development/photonics

T02

AIXTRON：MOCVDの基本原理 https://www.aixtron.com/en/innovation/technologies/mocvd

T12

Coherent：外部レーザーを用いるCPOの実証例 https://coherent-prod1.adobemsbasic.com/news/press-releases/coherent-co-packaged-optics-cpo-technologies-ofc-2026

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12　今後の技術競争――成膜装置需要はどこで増えるのか

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今後の光半導体の技術競争では、少なくとも五つの方向が重要になる。

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第一に、InPレーザーの大口径化

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InPの基板口径が拡大し、良品を多く得られるようになれば、レーザー一個当たりの製造原価を下げられる可能性がある。

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ただし、実際には結晶欠陥、加工歩留まり、エピ均一性、装置対応などが制約となる。

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第二に、低損失SiN導波路の量産

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低損失な光導波路を安定して製造できれば、光回路を通過する際の損失を抑えられる。

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ただし、高温LPCVDと、既存の電子回路上へ形成する低温成膜には異なる制約がある。

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そのため、材料とプロセスの併存が続く可能性がある。

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第三に、新しい光変調材料の集積

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BaTiO₃、LiNbO₃、LiTaO₃などの新材料は、高速・低電圧の変調器として期待されている。

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これらの材料をSiPhへ統合するため、エピタキシャル成長、異種材料接合、薄膜加工の重要性が高まる。

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第四に、Ge系光検出器の高性能化

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光源の出力を上げる方法だけでなく、受信側の感度を改善する方法もある。

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Ge/Si APDなどの研究は、光リンクの設計上の選択肢を広げる可能性がある。

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第五に、光学実装の歩留まり改善

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光半導体では、電気的な接続ができても、光が正しく結合するとは限らない。

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そのため、微細な位置合わせ、光結合、温度制御、信頼性評価の重要性が高まる。

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光学実装は成膜工程そのものではないが、成膜された光部品の価値を最終的なシステム性能へ変換する工程である。

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結論――光半導体は、電気と光を結び付ける新しい製造の制約を生む

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SiPh、InPレーザー、EML、Ge光検出器、CPO。

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これらは、それぞれ異なる材料、成膜方式、製造工程によって成立している。

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SiPhの光導波路では、SiNやSiO₂の膜質と、光の伝搬損失が重要になる。

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InPレーザーでは、MOCVDによる結晶成長と、量子井戸の組成・厚さ・界面の制御が重要になる。

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EMLでは、レーザーと変調器の結晶構造をそれぞれ成立させ、効率よく光を接続する必要がある。

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Ge光検出器では、シリコン上への選択的な結晶成長や、電気的・光学的な特性が重要になる。

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そしてCPOでは、こうして製造された異なる半導体を、電気と光の両方で高精度に接続する必要がある。

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そのため、光半導体の供給制約は、単純にレーザーの生産能力だけで決まらない。

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InP基板、MOCVDエピタキシー、光学膜、SiPhファウンドリー、Ge検出器、光学実装、最終検査。

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これらの工程が互いに依存する。

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SiPhのウエハを大量に製造できても、レーザーが不足すれば完成しない。

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レーザーが十分に存在しても、光導波路への接合歩留まりが低ければ量産できない。

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また、低損失な光導波路を製造できても、変調器や受光器の性能が不足すれば、目的の通信性能は達成できない。

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光半導体産業の本質は、光を発生させる能力、光を低損失で伝える能力、光を高速に制御する能力、そして異なる材料を高精度に接続する能力を、一つの量産システムとして成立させることにある。

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この観点から見ると、AIデータセンターの光接続を支えるのは、光モジュールメーカーだけではない。

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そのさらに上流にあるCVD、PVD、ALD、MOCVD、光学成膜、ウェット工程、計測、実装装置、前駆体、基板材料などの企業群も重要な役割を持っている。

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光接続の需要が増加するほど、そうした装置・材料・部品の供給能力を個別に分析する必要がある。

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ただし、技術的な代替困難性は、その企業の利益や株価の上昇を保証しない。

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価格交渉力、顧客集中、生産能力拡張に必要な投資、競争方式の変化、工程統合などによって、経済的価値の現れ方は異なる。

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したがって、光半導体の産業分析では、完成光モジュールの出荷数量だけでなく、その中に含まれる光源、PIC、変調器、検出器、そしてそれらを製造する工程へ需要を分解することが重要である。

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これは、成膜技術を半導体製造工程の一つとしてだけでなく、AIインフラ全体の供給網を理解するための技術として捉える視点でもある。

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市場予測、装置受注、顧客採用、量産開始、研究実証は異なる指標であり、比較の際にはそれぞれの定義を確認する必要がある。

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第9節　世界の装置・材料メーカー――誰がどの技術を持つのか

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成膜装置の企業を比較する際には、完成装置メーカーと材料・部品メーカーを分けなければならない。

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また、同じALD装置メーカーでも、対象がゲート膜、DRAMキャパシタ、金属配線、先端実装では競争条件が異なる。

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9-1　完成装置メーカー

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企業／主な拠点地域

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{企業}&\text{主な拠点地域}\cr\hline \text{Applied Materials}&\text{米国}\cr\hline \text{Lam Research}&\text{米国}\cr\hline \text{ASM}&\text{オランダ}\cr\hline \text{東京エレクトロン}&\text{日本}\cr\hline \text{KOKUSAI ELECTRIC}&\text{日本}\cr\hline \text{ULVAC}&\text{日本}\cr\hline \text{AIXTRON}&\text{ドイツ}\cr\hline \text{Veeco}&\text{米国}\cr\hline \text{NAURA}&\text{中国}\cr\hline \text{Piotech}&\text{中国}\cr\hline \text{Jusung Engineering}&\text{韓国}\cr\hline \text{Wonik IPS}&\text{韓国}\cr\hline \end{array}

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企業／主な関連技術・製品領域

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|} \text{企業}&\text{主な関連技術・製品領域}\cr\hline \text{Applied Materials}&\text{PVD、CVD、PECVD、ALD、選択成膜、エピ}\cr\hline \text{Lam Research}&\text{PECVD、ALD、金属CVD、金属ALD}\cr\hline \text{ASM}&\text{ALD、PEALD、Si・SiGeエピ、SiCエピ、PECVD}\cr\hline \text{東京エレクトロン}&\text{CVD、PVD、ALD、空間分離型ALD、熱処理}\cr\hline \text{KOKUSAI ELECTRIC}&\text{縦型バッチLPCVD、バッチALD}\cr\hline \text{ULVAC}&\text{PVD・スパッタリング}\cr\hline \text{AIXTRON}&\text{GaN、GaAs系などのMOCVD}\cr\hline \text{Veeco}&\text{MOCVD、化合物半導体向けエピ}\cr\hline \text{NAURA}&\text{PVD、LPCVD、ALDなど}\cr\hline \text{Piotech}&\text{PECVD、SACVD、ALD、HDP-CVDなど}\cr\hline \text{Jusung Engineering}&\text{ALD、CVD、エピ}\cr\hline \text{Wonik IPS}&\text{CVD・PECVD系装置など}\cr\hline \end{array}

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これらは製品分野の比較であり、すべての企業が同じ用途で競合していることを意味しない。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）
$T07$ KOKUSAI ELECTRIC：LP-CVD・ALD・熱処理の製品分類（参照 2026-10-23）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）
$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）
$N03$ Lam Research：Mo ALDの認定・立ち上げ状況（2025-02-19）

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特にALDでは、金属酸化膜、金属窒化膜、金属膜など、材料によって必要な前駆体や反応条件が異なる。

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9-2　Applied Materials

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Applied Materialsは、PVD、CVD、ALD、エピタキシー、選択成膜などを幅広く扱う。

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特徴的なのは、異なる工程を一つのプラットフォーム上で統合する技術である。

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例えば、Endura Copper Barrier Seed IMSでは、ALD、PVD、CVD、表面処理など複数の工程を真空環境で組み合わせる。

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このような装置は、膜の性能だけでなく、工程間の汚染を減らし、材料界面を制御することに価値がある。

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2026年4月には、GAA向けのTrillium ALDと、選択的窒化膜PECVD技術を発表した。

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さらに6月には、マイクロ波プラズマを利用したCentris Spectral SiN ALDも発表している。

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9-3　Lam Research

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Lam Researchは、PECVDやALD、金属成膜などに強みを持つ。

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VECTORはPECVD系、StrikerはALD系、ALTUSは金属成膜系の代表的な製品群である。 Lam Research：ALTUS製品群

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特に2025年に発表したALTUS Haloは、モリブデンを利用するALD装置として重要な事例である。

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同社は、3D NAND向けなどでの量産導入を説明しており、Micronもモリブデン採用に言及している。

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この動きは、新しい金属材料の採用によってALD装置と前駆体の需要が変わる可能性を示している。

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9-4　ASM

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ASMは、ALDとエピタキシャル成長を重要な事業領域としている。

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ALDでは熱ALD、PEALDなどの製品群を展開している。

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エピでは、シリコンやSiGe向けのIntrepidやEpsilon、SiC向けのPE2O8などを展開している。

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また、Previumシリーズの前処理技術によって、エピタキシャル成長前の酸化膜や汚染物を除去する。

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結晶成長の品質が、成膜前の表面状態に左右されることを考えると、これは重要な競争領域である。

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9-5　東京エレクトロンとKOKUSAI ELECTRIC

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東京エレクトロンは、CVD・PVDに加えてALD装置を展開している。

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NT333は、空間分離型ALDによって高い生産性と膜質制御を目指す装置である。

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同社の公表仕様では、300mmウエハに対応し、一つのチャンバーで6枚、2チャンバー構成のシステムで12枚を扱う。東京エレクトロン：NT333空間分離型ALD

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一方、KOKUSAI ELECTRICは、縦型バッチCVDやALDを重要な領域としている。

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AdvancedAce、QUIXACE、TSURUGI系などを展開しており、複数ウエハの処理と高品質な膜形成の両立を図っている。 KOKUSAI ELECTRIC：製品一覧

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）
$T07$ KOKUSAI ELECTRIC：LP-CVD・ALD・熱処理の製品分類（参照 2026-10-23）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）

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これらの企業を比較する際には、単にALD対応という点ではなく、処理枚数、膜質、原料使用量、バッチ時間、装置面積を確認する必要がある。

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9-6　中国・韓国メーカー

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中国では、NAURAやPiotechがCVD・ALDなどの製品分野を拡大している。

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NAURAは12インチのHigh-k ALD装置Scaler HK430について、安定量産と複数注文の獲得を公表している。 NAURA：High-k ALD装置

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また、2026年7月には第三世代の12インチ向け全石英構造SiN LPCVD装置を発表した。

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PiotechはPECVDをはじめ、複数の関連方式を扱っている。

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韓国のJusung EngineeringはALD・CVDに加えてエピ装置も公表しており、SDPやGuidanceシリーズなどを展開する。

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同社は、一つのチャンバー内で複数ウエハを同時処理する構成も説明している。 Jusung Engineering：半導体装置

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ここで重要なのは、国内で量産採用された装置が、直ちにすべての最先端工程を代替できるわけではないことである。

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膜材料、顧客、装置方式、量産世代ごとの実績を区別する必要がある。

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9-7　台湾と製造ユーザー

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台湾は、TSMCなどの先端ロジック製造ユーザーを通じて、成膜技術の導入や改良に重要な役割を持つ。

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韓国のSamsung ElectronicsやSK hynix、米国のMicronなども、メモリの製造工程を通じて装置メーカーと共同開発を進める場合がある。

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装置メーカーの競争力は、研究開発だけでは決まらない。

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実際の顧客工場で膜質を安定させ、歩留まりを改善し、長期間の量産を支えられるかが重要になる。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）
$T07$ KOKUSAI ELECTRIC：LP-CVD・ALD・熱処理の製品分類（参照 2026-10-23）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）

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第10節　市場規模・シェア・量産能力――成膜産業の規模をどう測るか

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10-1　半導体製造装置市場全体

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SEMIが2026年7月に公表した予測では、2026年の世界の半導体製造装置売上は1,659億ドルに達する見通しである。 SEMI：2026年製造装置市場予測

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主な参照資料：

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$M02$ SEMI：2026年・2028年半導体装置市場予測（2026-07-14）

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このうち、ウェーハファブ装置（WFE）セグメントは1,439億ドルと予測されている。

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ただし、この数字には成膜装置以外の製造設備も含まれる。

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したがって、WFE全体の市場規模を成膜装置市場として扱うことはできない。

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10-2　ALDとエピ市場

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ASMが2025年のInvestor Dayで示した推計では、枚葉式ALD市場は2024年の約30億ドルから、2030年には51億〜61億ドルへ拡大すると見込まれている。

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また、同社はエピタキシャル成長装置市場について、2024年の約15億ドルから2030年には25億〜32億ドルへ成長すると予測した。 ASM：Investor Day 2025

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いずれもASMの市場定義と予測に基づく数字であり、成膜装置すべての市場規模ではない。

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同社が公表した2024年の枚葉式ALD市場シェアは55％超、先端エピ市場シェアは約25％である。

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ただし、これらの数値は対象市場が異なるうえ、企業の推計・内部分析を含むため、単純に他社の全成膜装置売上と比較すべきではない。

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10-3　公開数値の整理

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|l|} \text{指標}&\text{数値}&\text{対象・時点}\cr\hline \text{世界製造装置売上予測}&\text{1,659億ドル}&\text{SEMI、2026年予測}\cr\hline \text{WFE売上予測}&\text{1,439億ドル}&\text{SEMI、2026年予測}\cr\hline \text{枚葉式ALD市場}&\text{約30億ドル}&\text{ASM推計、2024年}\cr\hline \text{枚葉式ALD市場予測}&\text{51億〜61億ドル}&\text{ASM予測、2030年}\cr\hline \text{エピ装置市場}&\text{約15億ドル}&\text{ASM推計、2024年}\cr\hline \text{エピ装置市場予測}&\text{25億〜32億ドル}&\text{ASM予測、2030年}\cr\hline \text{ASMの枚葉式ALDシェア}&\text{55％超}&\text{同社公表、2024年}\cr\hline \text{ASMの先端エピシェア}&\text{約25％}&\text{同社公表、2024年}\cr\hline \text{JX金属の半導体用ターゲットシェア}&\text{約65％}&\text{同社公表、2026年度時点}\cr\hline \end{array}

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主な参照資料：

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$M01$ ASM（同社発行リリース）：2024年市場推計と2030年市場予測（2025-09-23）
$M03$ ASM Investor Day 2025：2024年の枚葉ALD・先端エピのシェア（p.52）（2025-09-23／同社分析・TechInsightsに基づく同社公表）

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この表の数字は、市場範囲も年次も異なる。

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例えば、JX金属のシェアは材料市場の数字であり、ASMのシェアは特定の装置市場の数字である。

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また、2030年の予測は企業の成長見通しであって、確定した将来の売上ではない。

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こうした定義を区別することが、成膜産業を分析する際の基本となる。

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10-4　出荷台数と実効生産能力

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装置メーカーが一年間に製造できる台数と、装置一台が一年間に処理できるウエハ枚数は異なる。

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出荷能力には、装置部品、生産設備、人員、検査、据付などの制約がある。

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装置の処理能力には、膜厚、成膜速度、ガス交換、清掃、搬送、保守などの制約がある。

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したがって、成膜装置の需要を計算する際には、工場のウエハ投入能力だけでなく、工程回数と実効処理時間が必要になる。

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第11節　量産の経済性――何が不足すると製造できなくなるのか

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11-1　成膜装置の量産KPI

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成膜装置の性能を評価する際には、次の指標が必要になる。

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\scriptsize\begin{array}{|l|l|l|} \text{KPI}&\text{内容}&\text{量産への影響}\cr\hline \text{膜厚均一性}&\text{ウエハ内・ウエハ間のばらつき}&\text{電気特性、歩留まり}\cr\hline \text{段差被覆性}&\text{側壁・底部の膜厚}&\text{深い構造への対応}\cr\hline \text{GPC}&\text{ALD一周期当たりの成長量}&\text{必要サイクル数}\cr\hline \text{成膜速度}&\text{単位時間の膜厚増加}&\text{スループット}\cr\hline \text{膜応力}&\text{引張・圧縮応力}&\text{反り、剥離、構造変形}\cr\hline \text{結晶欠陥密度}&\text{転位などの欠陥}&\text{漏れ電流、信頼性}\cr\hline \text{不純物濃度}&\text{膜中の不要な元素}&\text{抵抗、絶縁性能}\cr\hline \text{パーティクル}&\text{粒子欠陥}&\text{良品率}\cr\hline \text{前駆体利用効率}&\text{供給原料の有効利用}&\text{材料原価}\cr\hline \text{保守周期}&\text{清掃・交換までの時間}&\text{稼働率}\cr\hline \text{選択成膜の選択性}&\text{不要領域への成膜抑制度}&\text{追加加工、欠陥}\cr\hline \end{array}

#

特にALDでは、膜厚を高精度に制御できても、サイクル時間が長ければ生産性が低下する。

#

また、エピタキシーでは成長速度が速くても、結晶欠陥が増えれば量産歩留まりが悪化する。

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11-2　ALDの処理時間

#

ALDでは、膜厚をサイクル数で制御する。

#

平均GPCが一定とみなせる場合、

#

N_{\mathrm{cycle}}\approx\frac{t}{GPC}

#

となる。

#

tは目標膜厚である。

#

例えば10nmの膜をGPC 0.1nm/周期で形成すると仮定すれば、100周期が必要になる。

#

一周期に4秒かかる場合、反応サイクルだけで400秒となる。

#

主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

#

これに搬送、温度調整、チャンバーの待機・清掃などが加わる。

#

一方、サイクル時間を短縮しても、表面反応が十分に飽和しなければ膜質が悪化する可能性がある。

#

ALD装置の競争は、単に反応を速くすることではなく、必要な膜質を維持しながらサイクル全体を短縮することにある。

#

11-3　必要装置台数を計算する

#

ある工場の月間ウエハ投入枚数を30,000枚とする。

#

対象の成膜工程を、ウエハ一枚が平均12回通過すると仮定する。

#

この場合、月間延べ処理枚数は、

#

30,000\times12=360,000\ \text{枚・回}

#

となる。

#

装置一台の実効処理速度を60枚/時、月間時間を720時間、稼働可能率を80％と仮定すると、一台当たりの月間処理能力は、

#

60\times720\times0.8=34,560\ \text{枚・回}

#

となる。

#

必要装置台数は、

#

360,000\div34,560\approx10.42

#

となり、最低11台である。

#

ここで、ウエハ投入枚数を変えず、対象工程の通過回数が18回に増えたとする。

#

月間延べ処理枚数は540,000枚・回となり、同じ装置能力なら最低16台が必要になる。

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主な参照資料：

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$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）

#

これは説明用の仮定計算であり、実際の装置性能を示すものではない。

#

また、実際の工場では、レシピが異なる工程を一つの装置で実行できるとは限らない。

#

したがって、装置能力と必要台数は、工程やレシピごとに評価する必要がある。

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11-4　装置需要が増える理由

#

成膜装置需要は、少なくとも四つの要因で変化する。

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第一に、ウエハ投入枚数が増える場合。

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第二に、三次元化や多層化によって工程回数が増える場合。

#

第三に、膜質や深い構造への被覆要求が厳しくなり、加工時間が長くなる場合。

#

第四に、新しい装置や工程統合によって、逆に処理時間や工程回数が減る場合である。

#

特にALDやエピタキシャル成長では、膜厚や結晶品質の要求が変わることで、同じ製造枚数でも必要な装置能力が変化する。

#

したがって、半導体市場の成長率をそのまま成膜装置市場の成長率へ置き換えることはできない。

#

11-5　どこにボトルネックが生じるのか

#

成膜装置の供給制約は、装置本体だけではない。

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高純度前駆体が不足すれば、ALDやCVDを実行できない。

#

認定済みターゲットが不足すれば、PVDの量産に支障が出る。

#

真空ポンプやRF電源が供給できなければ、装置そのものを完成させられない場合がある。

#

エピタキシーでは、基板品質、前処理、反応炉部材、ガス純度などが結晶欠陥に影響する。

#

また、別メーカーの材料や部品を利用する場合、既存の装置との適合性や汚染・寿命への影響を確認する必要がある。

#

そのため、単純に代替品が市場に存在していても、直ちに量産ラインへ投入できるとは限らない。

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主な参照資料：

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$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

#

11-6　材料使用量と経済性

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PVDではターゲットから放出された原子が、すべてウエハ上に堆積するわけではない。

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CVDやALDでも、供給した前駆体の一部は未反応のまま排出される。

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さらに、チャンバー内壁にも膜が形成される場合がある。

#

材料利用効率が低ければ、材料費、排気処理費、チャンバー清掃費が増加する。

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そのため、量産原価を評価する際には、装置価格だけでなく、材料費、消耗部品、電力、冷却、排気、保守、歩留まりを含めて考える必要がある。

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成膜工程の経済性は、一定の膜厚を作るための費用ではなく、必要な膜質を満たした良品を、安定して製造するための総費用によって決まる。

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主な参照資料：

#

$T01$ Applied Materials：CVDの基本原理（参照 2026-10-23）
$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）

#

主な参照資料：

#

$T02$ ASM：ALD・PEALDの基本と用途（参照 2026-10-23）
$T06$ 東京エレクトロン：成膜装置の公開製品分類（参照 2026-10-23）

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第12節　2026年の最新技術競争――成膜のどこが変化しているのか

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12-1　GAAトランジスタ――ALDと選択PECVD

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2026年4月、Applied MaterialsはGAAトランジスタ向けの新しい成膜装置を発表した。 Applied Materials：2026年4月 GAA向けALD・選択PECVD

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Trillium ALDは、シリコンナノシートを取り囲む複雑なメタルゲート構造の形成を支える技術である。

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また、Precision Selective Nitride PECVDは、特定の領域へ窒化膜を形成することで、素子の絶縁構造や寄生容量の制御を目指す。

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同社は、これらの装置が2nm以降のプロセスにおいて大手ファウンドリ・ロジックメーカーに利用されていると公表している。

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ここで重要なのは、ALDとPECVDが単純な代替関係ではないことである。

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極薄の膜を高精度に形成することと、選択的に膜を形成することでは、要求される反応制御が異なる。

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GAAの量産では、これらの技術を工程ごとに組み合わせる必要がある。

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主な参照資料：

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$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）
$T04$ ASM：エピタキシー・選択成長・材料（参照 2026-10-23）

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12-2　高アスペクト比構造――SiN ALDの進化

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2026年6月、Applied MaterialsはCentris Spectral SiN ALDを発表した。 Applied Materials：2026年6月 SiN ALD

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同社によれば、マイクロ波プラズマを利用して、複雑な三次元構造への窒化シリコン膜形成を改善する技術である。

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これにより、従来の成膜方式では難しかった構造において、膜厚均一性や膜質を維持することを目指している。

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この技術は、ALDが極薄膜を形成する方式というだけでなく、三次元構造内部の反応条件を制御する技術へ進化していることを示している。

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主な参照資料：

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$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）
$P03$ C. Gonsalves ほか：HAR内輸送とGPCの研究（2026-09-11／プレプリント）

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12-3　モリブデン――金属材料とALDの変化

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2025年2月、Lam ResearchはALTUS Haloを発表した。 Lam Research：2025年2月モリブデンALD

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これはモリブデンのALDを利用する金属成膜技術である。

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先端メモリやロジックでは、配線やコンタクトが微細化することで抵抗が問題になる。

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特に微細な構造では、金属そのものの抵抗だけでなく、バリアやライナーが占める断面積も重要になる。

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モリブデンは、こうした制約に対応する材料として注目されている。

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主な参照資料：

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$N03$ Lam Research：Mo ALDの認定・立ち上げ状況（2025-02-19）

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Lam Researchは、韓国やシンガポールの先進3D NAND工場、先端ロジック工場における早期導入を説明している。

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また、Micronはモリブデンを利用したNAND製品の量産に言及している。

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これは、材料開発、ALD装置、量産工程の採用が結び付いた具体例である。

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ただし、モリブデンがすべての金属成膜用途でタングステンや銅を置き換えるという意味ではない。

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12-4　SiCエピタキシー――200mm対応と生産性

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SiCパワー半導体では、基板口径の拡大とエピタキシャル成長の生産性が重要になる。

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ASMのPE2O8は、150mmおよび200mmに対応するSiCエピ装置である。 ASM：SiCエピ装置PE2O8

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同社は、デュアルチャンバー構成、温度・原料流れの制御、メンテナンス性などを特徴としている。

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SiCエピタキシーでは、膜厚とドーピングの均一性、欠陥、成長速度が歩留まりと原価に影響する。

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したがって、口径が大きくなることだけでなく、良品として利用できる面積がどれだけ増えるかを見る必要がある。

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主な参照資料：

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$N04$ AIXTRON / ROHM：200 mm GaNエピ量産立ち上げ（2026-06-08）
$N05$ Wolfspeed：200 mm SiC材料・エピの商用展開（2025-09）
$T08$ AIXTRON：GaN・SiC等の装置分類（参照 2026-10-23）

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12-5　GaNエピタキシー――AIデータセンター電源への接続

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2026年6月、AIXTRONはROHMとのGaNエピタキシャル成長に関する協力を発表した。 AIXTRON：2026年6月 ROHMとのGaNエピ量産協力

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ROHMはAIXTRONのG10-GaNを採用し、日本の浜松工場における8インチGaNエピの量産立ち上げを進めている。

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対象には、650Vおよび100VのGaNパワーデバイスが含まれる。

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GaNは、電力変換効率や高周波動作などが重要な用途で期待されている。

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したがって、GaNエピ装置の需要は、CPUやGPUの製造だけでなく、それらを動かすサーバー電源や電力変換設備の需要とも接続する。

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また、Veecoは2025年11月、300mmシリコンウエハ上のGaNエピ向けにPropel 300の受注を公表している。 Veeco：2025年11月 300mm GaN-on-Si MOCVD受注

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ただし、受注や顧客評価と量産拡大は異なる段階であり、同じ量産実績として扱うべきではない。

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12-6　選択成膜とCFET

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次世代トランジスタの研究では、n型とp型のトランジスタを上下に積み重ねるCFETが注目されている。

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CFETでは、非常に複雑な三次元構造の内部に材料を形成し、不要な部分を除去する必要がある。

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また、すでに形成した下層のトランジスタを損傷させずに、上層を製造しなければならない。

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そのため、低温成膜、選択成膜、エピタキシャル成長、選択エッチング、界面処理の重要性が高まる。

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imecのCFET研究でも、成膜と選択除去、構造形成が主要な課題として扱われている。 imec：CFETの工程開発

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ただし、こうした研究成果は、そのまま商用量産を意味しない。

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実用化段階を明確に区別する必要がある。

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12-7　最新技術の段階を整理する

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技術／主要目的

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{技術}&\text{主要目的}\cr\hline \text{GAA向けTrillium ALD}&\text{複雑なゲート膜の制御}\cr\hline \text{Selective Nitride PECVD}&\text{特定領域の窒化膜形成}\cr\hline \text{SiN ALDの新技術}&\text{深い三次元構造への均一成膜}\cr\hline \text{ALTUS Halo Mo ALD}&\text{微細金属の低抵抗化}\cr\hline \text{200mm SiCエピ}&\text{パワーデバイス生産性向上}\cr\hline \text{8インチGaN MOCVD}&\text{GaN電力デバイス量産}\cr\hline \text{300mm GaN-on-Si MOCVD}&\text{大口径化による原価改善}\cr\hline \text{CFET対応の成膜・選択加工}&\text{三次元ロジック集積}\cr\hline \end{array}

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技術／2026年10月時点の公表段階

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\small\begin{array}{|l|l|} \text{技術}&\text{2026年10月時点の公表段階}\cr\hline \text{GAA向けTrillium ALD}&\text{大手ロジック顧客で使用と公表}\cr\hline \text{Selective Nitride PECVD}&\text{商用製品・顧客使用を公表}\cr\hline \text{SiN ALDの新技術}&\text{商用装置・顧客使用を公表}\cr\hline \text{ALTUS Halo Mo ALD}&\text{一部用途で量産採用}\cr\hline \text{200mm SiCエピ}&\text{商用装置展開}\cr\hline \text{8インチGaN MOCVD}&\text{顧客工場で量産立ち上げ}\cr\hline \text{300mm GaN-on-Si MOCVD}&\text{受注・顧客評価段階の公表}\cr\hline \text{CFET対応の成膜・選択加工}&\text{研究・実証段階}\cr\hline \end{array}

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このように、新しい成膜技術は一斉に同じ速度で量産化するわけではない。

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主な参照資料：

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$N01$ Applied Materials：GAA向け金属ALD・選択窒化膜PECVDの公表（2026-04-08）
$N02$ Applied Materials：HAR向けSiN ALDとMo選択エッチングの公表（2026-06-15）
$N03$ Lam Research：Mo ALDの認定・立ち上げ状況（2025-02-19）
$N04$ AIXTRON / ROHM：200 mm GaNエピ量産立ち上げ（2026-06-08）

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用途によって、商用化の時期も、量産の難しさも異なるのである。

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結論――CVD・PVD・ALDの違いを理解すると、半導体の供給制約が見えてくる

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PVD、CVD、ALD、エピタキシャル成長、選択成膜。

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これらは半導体に材料を形成するための技術だが、役割は異なる。

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PVDは、固体材料などから原子を物理的に取り出して成膜する。

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CVDは、気体や蒸気の原料を化学反応させて成膜する。

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ALDは、表面反応の自己制限性を利用して膜厚を精密に制御する。

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エピタキシャル成長は、下地の結晶配列に対応した結晶膜を成長させる。

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選択成膜は、必要な場所に材料を形成し、不要な場所への成膜を抑える。

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重要なのは、これらが必ずしも相互に置き換わる技術ではないことである。

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CPUやGPUのGAAトランジスタでは、極薄膜を形成するALD、ソース・ドレインを作るエピタキシャル成長、金属形成に関わるPVD・CVDなどが組み合わされる。

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DRAMでは、深いキャパシタ構造への高品質な誘電体膜が必要になる。

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3D NANDでは、多数の膜を積層し、深い構造の内部に材料を形成しなければならない。

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SiCやGaNでは、厚さや結晶品質を高精度に制御するエピタキシャル成長が重要になる。

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このように、半導体の高性能化は、単に製造装置を増やすことでは実現しない。

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特定の材料を、特定の構造に、必要な品質で形成できる技術が必要になる。

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そして、その技術を量産するためには、完成装置メーカーだけでなく、前駆体、ターゲット、真空機器、流量制御、プラズマ電源、石英、セラミックス、シールなどの供給企業が不可欠となる。

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半導体の微細化と三次元化が進むほど、こうした材料・装置・部品の相互依存関係は複雑になる。

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装置市場を分析する際には、ウエハ投入枚数、工程通過回数、成膜時間、材料消費、歩留まり、実用化段階を分けて考える必要がある。

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特定の材料や装置がなければ製造できないという事実は、その供給企業の技術的な重要性を示す。

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しかし、それが直ちに高い利益率や株価上昇を保証するわけではない。

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需要の増加を利益へ転換できるかは、生産能力、競争、設備投資、材料費、顧客認定、装置の寿命、稼働率などに左右される。

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成膜産業の核心は、原子を付着させる技術そのものではなく、必要な原子を、必要な場所に、必要な結晶状態と品質で形成し続けられる量産能力にある。

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それを支える企業と供給網こそが、半導体産業の高度化を実現する重要な基盤なのである。

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調査基準・留意事項

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本稿は2026年10月23日時点までの公開情報に基づく。企業公表値、独自推計、市場予測、商用装置の発表、研究実証は区別して記載した。

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※公表仕様は実際の顧客レシピ・稼働条件とは異なることがある。量産性能や工程採用の範囲については、対象顧客・材料・製品世代ごとの確認が必要である。

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特定銘柄の推奨・勧誘を目的とするものではありません。投資判断はご自身の責任でお願いいたします。

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はじめに――半導体を作るとは、材料を必要な場所に配置することである

第1節 成膜とは何か――5つの技術を最初に整理する

1-1 成膜は何のために必要なのか

1-2 CVD・PVD・ALDは何が違うのか

1-3 エピタキシーと選択成膜は分類の観点が異なる

第2節 加工前後の姿――平坦な膜から三次元構造へ

2-1 最も簡単な成膜

2-2 深い溝では何が難しくなるのか

2-3 均一に覆うことと、完全に埋めること

2-4 結晶を成長させる場合は、さらに難しい

第3節 必要な基礎知識――原子、真空、表面反応、結晶

3-1 気体分子はどのように移動するのか

3-2 吸着と脱離

3-3 温度と化学反応

3-4 プラズマとは何か

3-5 結晶と格子

第4節 PVD・CVD・ALD・エピタキシー・選択成膜の原理

4-1 PVD――原子を物理的に飛ばす

4-2 CVD――気体から固体を作る

4-3 LPCVD――低圧で反応条件を制御する

4-4 PECVD――プラズマで反応を促進する

4-5 ALD――表面反応を一周期ずつ制御する

ALDの具体例――酸化アルミニウム膜

なぜALDは深い構造に有利なのか

PEALD――プラズマを利用したALD

Spatial ALD――反応場所を分離する

4-6 エピタキシャル成長――結晶を引き継いで成長させる

化合物半導体のエピタキシー

4-7 選択成膜――全面に膜を作らない

選択成膜の難しさ

第5節 装置内部――成膜はどのような機械の中で行われるのか

5-1 PVD装置

5-2 CVD・PECVD装置

5-3 ALD装置

5-4 エピタキシャル成長装置

5-5 枚葉式とバッチ式

第6節 材料と消耗部品――成膜を成立させる供給網

6-1 PVDの材料

6-2 CVD・ALDの材料

6-3 部品メーカーの重要性

第7節 技術の系譜――なぜ新しい成膜方式が必要になったのか

7-1 平坦な構造では十分だった技術

7-2 ALDの重要性が高まった理由

7-3 エピタキシーの役割が拡大した理由

7-4 選択成膜が重要になる理由

第8節 CPU・GPU・DRAM・NAND・アナログ・化合物半導体・光半導体で何が異なるのか

8-1 CPU・GPU・AI ASIC・DPU

8-2 DRAM

8-3 HBM

8-4 3D NAND

8-5 アナログ半導体とパワー半導体

8-6 製品別の成膜需要を整理する

8-7 光半導体――SiPh・InP・レーザー・CPOを作る成膜技術

はじめに――半導体が制御するのは、電気だけではない

1 光半導体では何を作るのか

1-1 光通信を成立させる四つの機能

1-2 光半導体の役割と材料

2 SiPh――シリコンウエハ上に光が通る道を作る

2-1 光導波路とは何か

2-2 SiPhの製造フロー

2-3 SiN導波路とCVD

2-4 成膜条件が光損失へ与える影響

3 光変調器――作った光にどうやって情報を載せるのか

3-1 シリコン変調器

3-2 GeSi電界吸収型変調器

3-3 新しい光変調材料

3-4 薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）――結晶を薄く移し、電界で光を変調する

はじめに――光を高速に変調するための新しい材料

3-4-1 TFLNはどのように電気信号を光へ変えるのか

半波長電圧Vπと変調効率

3-4-2 TFLNの薄膜は、一般的なCVD膜とは製造方法が異なる

イオンスライシング

接合・精密研磨

3-4-3 TFLN光変調器を作る工程――成膜はどこに必要なのか

PECVD――光導波路を保護する絶縁膜

PVD・蒸着――高速電極を形成する

ALD――主材料の形成ではなく、周辺機能の候補

エッチング――成膜と同じくらい重要

3-4-4 400G/レーンでは、電極とパッケージングが制約になる

400Gは何を意味するのか

第1節　成膜とは何か――5つの技術を最初に整理する

1-1　成膜は何のために必要なのか

1-2　CVD・PVD・ALDは何が違うのか

1-3　エピタキシーと選択成膜は分類の観点が異なる

第2節　加工前後の姿――平坦な膜から三次元構造へ

2-1　最も簡単な成膜

2-2　深い溝では何が難しくなるのか

2-3　均一に覆うことと、完全に埋めること

2-4　結晶を成長させる場合は、さらに難しい

第3節　必要な基礎知識――原子、真空、表面反応、結晶

3-1　気体分子はどのように移動するのか

3-2　吸着と脱離

3-3　温度と化学反応

3-4　プラズマとは何か

3-5　結晶と格子

第4節　PVD・CVD・ALD・エピタキシー・選択成膜の原理

4-1　PVD――原子を物理的に飛ばす

4-2　CVD――気体から固体を作る

4-3　LPCVD――低圧で反応条件を制御する

4-4　PECVD――プラズマで反応を促進する

4-5　ALD――表面反応を一周期ずつ制御する

4-6　エピタキシャル成長――結晶を引き継いで成長させる

4-7　選択成膜――全面に膜を作らない

第5節　装置内部――成膜はどのような機械の中で行われるのか

5-1　PVD装置

5-2　CVD・PECVD装置

5-3　ALD装置

5-4　エピタキシャル成長装置

5-5　枚葉式とバッチ式

第6節　材料と消耗部品――成膜を成立させる供給網

6-1　PVDの材料

6-2　CVD・ALDの材料

6-3　部品メーカーの重要性

第7節　技術の系譜――なぜ新しい成膜方式が必要になったのか

7-1　平坦な構造では十分だった技術

7-2　ALDの重要性が高まった理由

7-3　エピタキシーの役割が拡大した理由

7-4　選択成膜が重要になる理由

第8節　CPU・GPU・DRAM・NAND・アナログ・化合物半導体・光半導体で何が異なるのか

8-1　CPU・GPU・AI ASIC・DPU

8-2　DRAM

8-3　HBM

8-4　3D NAND

8-5　アナログ半導体とパワー半導体

8-6　製品別の成膜需要を整理する

8-7　光半導体――SiPh・InP・レーザー・CPOを作る成膜技術

1　光半導体では何を作るのか

1-1　光通信を成立させる四つの機能

1-2　光半導体の役割と材料

2　SiPh――シリコンウエハ上に光が通る道を作る

2-1　光導波路とは何か

2-2　SiPhの製造フロー

2-3　SiN導波路とCVD

2-4　成膜条件が光損失へ与える影響

3　光変調器――作った光にどうやって情報を載せるのか

3-1　シリコン変調器

3-2　GeSi電界吸収型変調器

3-3　新しい光変調材料

3-4　薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）――結晶を薄く移し、電界で光を変調する

3-4-1　TFLNはどのように電気信号を光へ変えるのか

3-4-2　TFLNの薄膜は、一般的なCVD膜とは製造方法が異なる

3-4-3　TFLN光変調器を作る工程――成膜はどこに必要なのか

3-4-4　400G/レーンでは、電極とパッケージングが制約になる

3-4-5　TFLNとSiPhは競合するのか、補完するのか

3-4-6　世界の企業と量産状況――6インチから8インチへ

3-4-7　ウエハ大口径化は装置・材料需要をどう変えるのか

3-4-8　TFLN普及で利益を得る可能性があるのは誰か

3-4-9　TFLNの競争相手はSiPhだけではない――KNNという新しい成膜材料

4　InPレーザー――MOCVDで光を生み出す結晶を作る

4-1　なぜInPが必要になるのか

4-2　InPレーザーの断面

4-3　MOCVDによる結晶成長

4-4　DFBレーザーの回折格子と再成長

4-5　レーザー端面の光学膜

5　EML――レーザーと変調器を一つにする

5-1　EMLの構造

5-2　EMLでは複数のエピ工程が必要になることがある

5-3　CWレーザー・EML・VCSELの違い

6　Ge光検出器――選択エピタキシーで受信側を作る

6-1　なぜGeを利用するのか