5Gの展開：移行期の業界

ブログ | 2021年1月12日

Anil Vijayendran

予想通り、2020年は、5Gの標準化のための取り組みが大きく中断された年として歴史に残るでしょう。しかし、それは困難なスタートを切りました。1月には、半導体業界、そして世界全体が5Gの展開に大きな期待を寄せていました。その後、新型コロナウイルス感染症に見舞われ、2つのことが起こりました。

まず、標準化作業が中断され、展開の進捗が停滞し、デバイスの開発が遅れると予想されていました。しかしその後、世界中に在宅勤務と自宅待機の文化が定着するにつれて、データストレージとデータ送信のニーズは飛躍的に増大しました。さらに、5Gの展開への競争は地政学的な問題になりました。

その結果、技術開発は本格化し、業界はコンポーネントやサブシステムの需要の高まりに追いつくための移行期に入りました。

5G接続の必要性
消費者がますます多くのビデオストリーミング、オンラインショッピング、ビデオ会議などを行うとともに、遠隔医療診療を受けることに慣れていくにつれて、接続性への依存度が高まり、4G/LTEネットワークが追いつかなくなっています。さらに、多数のデバイスに5G接続を必要とするAIを実装する競争が続いています。これにより、業界はブロードバンドサービスを革新し、エンドユーザーの業種を超えた接続を強化しています。

5Gの展開へ向けた競争
地政学的な面では、ヨーロッパと米国で5Gの展開が遅れましたが、韓国、中国、インド、その他のアジア諸国は5Gインフラストラクチャに多額の設備投資を行い、積極的に展開しています。伝えられるところによると、サウジアラビアは最速のダウンロード速度、そして韓国は最高の採用率を誇っています。

夏の終わりに、米国での5Gの展開を加速するために、ホワイトハウスと国防総省は、ミッドバンドスペクトルの一部をワイヤレス業界と共有する計画を発表しました。ただし、その実施は2021月後半まで期待できません。

携帯電話側では、インフラストラクチャが拡張されたため、Appleはついに5G iPhoneを発表しました。全体的に、販売される5G携帯電話の数量は増加しています。

5Gコンポーネントおよびサブシステムの技術動向
エンドツーエンドの5G接続を提供するには、すべてのスペクトルと帯域を使用するように設計されたネットワークが必要です。その結果、コンポーネントやサブシステムで依然として他の帯域（3G、4G、LTEなど）を提供しながら、より高い周波数帯域を組み込むようにシフトしています。これは、真の5Gと見なされているミリ波テクノロジーは短距離しか移動できないためです。したがって、その使用は、フェムトセルを近接して配置できる都市部に限定されます。

携帯電話の量の増加は、コンポーネントおよびサブシステムのメーカーに影響を与えるだけでなく、コンテンツの量の増加にも影響します。携帯電話メーカーは、サイズ縮小のニーズに対応するために、すべて競争力のあるコストで、低消費電力を特徴とする完全に統合されたサブシステムを求めています。

RFフィルターとパワーアンプ
ネットワークインフラストラクチャと携帯電話機の両方で使用される2つの主要なデバイスは、RFフィルタとパワーアンプです。5Gには、前世代のワイヤレステクノロジーで使用されていたものとは異なるこれらのコンポーネントの要件があります。

たとえば、RFフィルタは、損失の低減と高カットオフ周波数により、フィルタリング性能を向上させる必要があります。さらに、フィルタは5Gに関連するより高い周波数用に設計する必要があり、幅広い温度および環境条件下で性能の安定性を示す必要があります。これにより、使用可能な周波数間の保護帯域、およびデュプレクサギャップ（送信周波数と受信周波数間の遷移スペース）を最小限に抑えることができます。

携帯電話のパワーアンプでは、引き続きガリウムヒ素（GaAs）技術を使用します。窒化ガリウム（GaN）パワーアンプは、小さなフォームファクタで高い電力密度を実現できるため、基地局に最適です。また、より高いレベルのアンテナインパッケージ（AiP）パワーアンプの統合も見られます。

プロセスの変更
これらのテクノロジーのマクロトレンドは、いくつかの点でデバイス製造プロセスに影響を与えています。全体として、メーカーはGaAsおよびGaN基板材料に対応する必要があります。挿入損失を防ぐために、材料のドーピングが必要です。製造業者はまた、材料抵抗の減少に対応するためにプロセスを調整する必要があります。最後に、より高い周波数に対応するには、より薄い層蒸着が必要です。

プロセスツールの調整
5Gアプリケーション用のRFデバイスとパワーアンプを製造するためのプロセス変更に対応するには、課題に対応できるツールが必要です。6インチから8インチまで、複数のウエハサイズを処理する必要があります。RFフィルターで高カットオフ周波数を達成することは、エッチング品質プロファイルと均一性の向上を意味します。より薄い層は、蒸着の改善に加え、ピンホールのない超薄パッシベーション層を必要とします。さらに、ロット間の再現性は、低い所有コストで高い生産性を実現し、ボリューム要件を満たすために不可欠です。

挑戦を受けて立つ
Veecoは、湿式プロセス、リソグラフィー、イオンビームエッチング（IBE）、原子層蒸着（ALD）、有機金属化学蒸着（MOCVD）など、デバイス製造のあらゆるニーズをサポートする幅広いプロセス技術を提供しています。この一連のプロセスツールソリューションは、消費者製品に組み込まれるデバイスを構築するために、低い所有コストで高性能を提供します。すべてのシステムは柔軟なウエハサイズシステムをサポートし、正確に均一な厚さを実現します。

湿式処理
Veecoのラインナップのすべてのツールのうち、VeecoのWaferStorm®は、メタルリフトオフ（MLO）およびフォトレジスト（PR）ストリップアプリケーションを含むRFデバイスプロセスの湿式処理アプリケーションの主力製品です。RFフィルタ製造においてMLOは、基板に損傷を与える可能性のあるエッチングプロセスの費用効果の高い代替手段として重要です。WaferStorm独自の2段階プロセスには、浸漬ステップとそれに続く高圧スプレーが組み込まれています。これは、厚くて除去が難しいPRに特に効果的です。さらに、従来のバッチプロセスの5分の1の化学薬品を使用しながら、従来の枚葉処理アプローチと比較してスループットを2倍にします。チャンバーは積み重ね可能で、コンパクトな設置面積に対応しながら、大量生産のニーズをサポートします。

イオンビーム エッチング装置
Veecoの Lancer®プラットフォームは、Veecoのコアイオンビームエッチングソース技術をRFデバイスに適用します。5Gでは、フィルタ性能を向上させるために、圧電性材料のドーピング、およびより複雑な電極設計が必要です。この傾向は、均一性、エッチングプロファイル制御、および基板の損傷に関連するエッチングの課題の増大をもたらしています。Lancerは、実稼働量産向けシステムでこれらの懸念に対処できます。

原子層蒸着（ALD）
RFデバイスの材料セットにはLNOやLTOなどの複雑な圧電性材料の使用が伴うため、原子層蒸着（ALD）は、カプセル化およびバリアフィルムとしてのアプリケーションを通じて高安定フィルタ性能を得る手段を提供します。ALD膜のコンフォーマルで高密度な性質により、環境劣化に対する優れた保護が提供され、デバイスの安定した動作が保証されます。VeecoのFirebird™システムは、制御された環境ロードロックと組み合わせた独自の処理アーキテクチャを利用して、システム内でのウエハの破損のない移動を実現します。さらに、Firebirdのインテリジェントスケジューラを採用したマルチバッチ操作により、優れたスループットとプロセスに一貫性がもたらされ、高性能のRFデバイスが実現します。

有機金属化学的気相成長
5G携帯電話用のパワーアンプ（PA）には、高直線性、高効率、高信頼性が必要です。このようなデバイスの重要な実現要因は、均一なドーピングと組成を持つ鋭い界面からなるエピタキシャル層で始まります。MOCVDは、大量生産スループットで高い均一性で材料を成長させ、所有コストを最小限に抑えることができるため、ハンドセットPA用のGaAsベースのトランジスタの大量生産に最適な蒸着技術です。VeecoのLumina®は、業界の最新のエピタキシャル成長要件を満たすように特別に設計されており、メモリ効果のない非常にシャープな界面と、均一な膜層（ウエハ内、ウエハ間、およびロット間）を提供することが証明されています。Luminaは、高速ウエハ転送システム、高成長率、高速温度上昇、および高稼働時間と相まって、2インチから8インチのウエハサイズに対して業界最高のスループットを提供します。

基地局用のパワーアンプは、5Gネットワークに必要な高速データ伝送を可能にするために高出力と高周波性能を必要とします。6Hz以下の基地局向けの現在の技術では、この要件を満たすためにSiC上のGaNHEMTを利用しています。ただし、5Gがミリ波基地局へと進むにつれて、高速データレート伝送を可能にするために、複数の分散アンテナとスモールセルシステムを備えた高出力マイクロセルが必要になります。大量生産の要件は、大規模な採用でのデバイスのコストを削減するために、8インチおよび12インチなどの大きなウエハサイズでの成長を意味します。枚葉処理TurboDisc®テクノロジーとカセット間自動化を備えたVeecoのPropel™ 量産向けシステムは、最小の所有コストで均一性と再現性の高性能を実証しました。クラスターシステムの設計は柔軟性と生産性を提供し、現在業界で唯一、12インチのシリコン基板への拡張に成功していることが証明されているGaNMOCVDプラットフォームです。

結論
より高速なデータレートと接続性の改善に対する世界的な要求は、今後数年間で大幅に増加すると予想されます。5Gの展開が世界中で続く中で、5Gコンポーネントとサブシステムの必要性は拡大を続けます。この成長をサポートするために処理能力を拡張しようとしている製造業者は、サプライヤーと協力し、知識を共有して、コスト効果の高い大量生産プロセスを開発する必要があります。これらの企業は、5GプロセスツールのニーズをサポートするためにVeeco以外に目を向ける必要はありません。