究 極 の 未 来 工 場

ミニマルマニュファクチャリング

2009 No.1
SAN・SO・KEN

http://www.aist.go.jp

ノづくり（マニュファクチャリング）、の姿となるでしょう。

モノづくりの三課題を同時に解決すべく生まれた新コンセプト、それがミニマルマニュファクチャリングです【ミニマルマニュファクチャリングとは ?】する方法がミニマルマニュファクチャ

響も抑えることができます。これを実現

競争力が培われ、さらに地球環境への影を省けば、製品コストを下げ、国際的な製品を製造するときに、あらゆる無駄すべての費用です。

きます。そしてカネとは、それにかかるらに時間と情報もこれに含めることがで機材・機器・設備などが含まれます。さ様に、モノには、資源・材料・エネルギー・経験・知恵・技術なども含まれます。同し よ う と い う 大 胆 な 試 み で も あ り ま す。

いう普通は相反する三課題を一気に解決ているコスト・競争力・環境への配慮とだからです。また、現在の製造者が抱えすれば、ヒトもカネも最小化できるはず

ＭＭは、 世紀のモノづくりの指針とリ ン グ（ Ｍ Ｍ ） で す。 Ｍ Ｍ は、 最 小 限低限にする、つまりミニマルにしようとＭＭは、この中から「モノ」を必要最でこの指針を意識した研究と技術開発がして共感の輪が広がり、多くの産業分野（高生産性、低コスト）

局所クリーン化

コジェネコプロダクション

SCM（） の 製 造（ manufacturing）
minimalを 意 味 し ま す。
「 最 小 の イ ン プ ッ ト（ 省最大機能発現

SCMが進み始めています。

実用化技術

プロセス

マテリアル

デバイス
プロダクトシステムいう考え方です。
「モノ」を必要最低限に先端技術

デスクトップ装置

繊維強化等複合材料

MEMS
センサー

3Ｄデバイス︵ＷＬＣＳＰ︑インターポーザ︶

μ TAS

SED

カタリシス

装置汚染初期化

装置共用化

真空フリー

コンビナトリアル

部材共通化

プリントプロダクト︵電子ぺーバー等︶

ミニファブ化資源、省エネルギー）で、高い実用性（高生産性、低コスト）をもちながら、最大限の機能（新機能、高性能）をアウトプッ

相互補完・強化

局所クリーン化
セル生産

機能可変
プロダクト︵FPGAなど︶

有機基板等
柔軟基板
自己組織化
マイクロリアクター

AD法
コンビナトリアル
インクジェット

マスクレス加工

デスクトップファーネス
ステレオ
ファブリック造形
レーザアニール※緑色は、産総研にてポテンシャルを有する技術である。

トする製造技術の新しい概念」です。

革新的生産システム2

産総研 SAN・SO・KEN 2009-1

ミニマルマニュファクチャリングに適したテクノロジーのマッピング

21

統合化

モノづくりには、ヒト・モノ・カネが相反相反マイクロプラズマ

単純化

ミニマル化

柔軟化

必要だと言われます。ヒトには、労力・（新機能、高性能）

低環境負荷技術 相反（省エネ、省資源）要素技術のインテグレーション

相反する要求を両立する技術へ

高生産効率
最小資源投入最小エネルギー投入

最小限（ミニマル）の原料や装置でモノ
それが未来の工場の革新的な概念や思考は 時代を読み、次代を見据え 次代のビジョンをもつことから生まれます【導入メリットと環境テクノロジー】
Ｍ）は産業システム全体の問題を解決すミニマルマニュファクチャリング（Ｍ球全体の要請である環境負荷低減の両立

ＭＭは、企業が求める低コスト性と、地環 境 対 策 は コ ス ト ア ッ プ に な り ま す が、では、製造や加工の単位もを可能にします。

る考え方ですが、そのメリットは計り知れないほど大きなものになります。
また、Ｍミニマル化します。必要なところだけ加『 必 要 な こ と を、 必 要
Ｍ Ｍ の 特 徴 は、な時に、必要なだけ』行うことです。こ工しますので、小型装置が適しています。

例えば、製造物を加熱する工程を考えニマル化されるので、さまざまな分野で製造装置の体積は になり、投資額もミに貢献します。てみます。普通は加熱炉全体を断熱材で倍 以 上 に な り、新規参入の機会を創造し、産業の活性化

1/1000の具体例を見てみましょう。

M

覆い、断熱材自体も加熱されるので、加熱する体積は製造物の消費エネルギーも約 倍にふくれあがります。また、昇温するのにも室温に戻す

Type1:既存デバイス工場のにも、時間がかかります。

投資5000億円

一方、ミニマル方式を取り入れたミニマル炉では、集光技術で製造物だけを加熱します。消費エネルギーは 、加熱時間が約 で、合計 万分の１まで省エネし、約 倍もスピードアップします。
インクジェットというミニマル技術を配線などに使うと、金属を用いて必要な配線だけを描画するので、資源利用効率が ％になります。捨てるものがないのです。例えば集積回路製造では、堆積しては削って捨てていましたから、資源の利用効率は ～ でした。インクジェッ
トによって、 ～ 倍の省資源になるのクリーンルーム不要
ウェハ0.5

0.3 m

10 m

1/1000です。高価な原材料費も削減できます。

Type1:既存デバイス工場

1000

1000

101/10001000

このように、ＭＭは、資源、エネルギー、3m200 m

100 1/100

コストを飛躍的に低減させます。大抵の

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3

1/100

100

ミニマルマニュファクチャリングテクノロジー
クリーンルーム不要
0.3 m・省エネルギー
ウェハ0.5
省資源・省投資・高性能

10 m

投資5億円

ミニマルマニュファクチャリングテクノロジー

3m

200 m

省資源・省エネルギー・省投資・高性能

投資5億円

100

投資5000億円

Type2:ミニマルファクトリー

Type2:ミニマルファクトリー

ミニマル炉

必要な製造物だけが現に加熱されている様子がはっきりわかります。

必要な量の資源を、必要な場所に必要な最小エネルギーで配置する、ミニマルマニュファクチャリングの申し子【インクジェットプロセス】
一 つ が、 イ ン ク ジ ェ ッ ト プ ロ セ ス で す。

Ｍ）コンセプトにおける典型的な技術のされる材料や、溶媒はほとんど廃棄され、時間が必要です。また、プロセスで使用て い ま す が、 多 く の 設 備 と エ ネ ル ギ ー、滴の大きさが、微細加工用には大きすぎジェット技術ですが、これまではインクといえます。大きな期待がかかるインク多品種少量生産には最適のプロセス技術

こ の よ う に、 イ ン ク ジ ェ ッ ト 技 術 は、い ま で は、 私 た ち の 生 活 の 中 で 身 近 に

最 終 製 品 の 上 に は 残 っ て い な い の で す。

ました。産総研では、これまでの 以下

こうしたプロセスは大量生産には向いな っ た イ ン ク ジ ェ ッ ト 方 式 の 印 刷 技 術。

これは、もったいないことです。

いる大きな問題を、解決できる可能性が料やエネルギーの利用効率の点で抱えてるものです。これまでのものづくりが材

材 料 の 利 用 効 率 が と て も 高 く な り ま す。

な 場 所 だ け に 直 接 材 料 を 描 画 す る の で、術を導入しますと、設計図に従って必要この製造プロセスにインクジェット技います。

ンクジェット技術」の研究開発を行っての体積のインク滴を用いる「スーパーイ

ま た、 必 要 な 設 備 や 消 費 エ ネ ル ギ ー を、製造コストの大幅な低減、製造時間の短省資源、省エネルギー、省スペースと、あるからです。

1/1000

例えば半導体素子では、必要なものが設計→試作期間の大幅短縮化
多品種少量生産への適性
省資源・省エネルギー・省設備・省プロセス

縮、地球環境への負荷の低減……。インク

従来プロセス格段に減らせます。版や型を作製しなく量産

たった一本の配線だとしても、シリコン

進捗 度

インクジェットプロセス

ジェットプロセス技術はＭＭコンセプトのインクジェットプロセスのオンデマンド性てもよいので、設計図ができたらすぐに資源利用効率 10 倍以上

試作

設計

時間4

産総研 SAN・SO・KEN 2009-1

ミニマルマニュファクチャリング（Ｍ

これを産業用のプロセス技術として用い→数十％

ウエハ全面に版を作り、全面に金属を蒸

工場面積

数%

申し子といっても過言ではありません。

数千億円 →数億円

製造に取りかかることができ短時間で完数十 MW→数十ｋW

1/1000 以下着します。それを一本の配線だけを残し1/100 以下設備投資成するというわけです。また、設計図をエネルギーて 版 ご と 取 り 除 く プ ロ セ ス が 必 要 で す。

□100 m→□10 m

変えるだけで、さまざまな製品を製造す

1/100 以下作りたい物がたった一個でも、何万個でインクジェットプロセスによるミニマル工場の理想ることもできるようになります。

インクジェットによる微細加工の例

も、必要な版の数やプロセス、設備は同じです。

手のひらサイズのスーパーインクジェット

大きなモノを小さくつくることで大きな柔軟性とメリットをもたらす【ステレオファブリック造形】に比べて軽量で、高温下での安定性、低どのさまざまな問題を一挙に解決しよう

それに伴って、不均一性、コスト高な作ることができるようになります。

熱膨張性や耐熱・耐食性、耐摩耗性、高としています。これが「ステレオファブ横穴貫通(中央部は、トラス構造）

ファインセラミックスは、ほかの材料剛性といった点で優れています。こうしリック造形」技術のポイントです。このを実現し、セラミックスを利用するメーた特徴を活かして、液晶、半導体露光装用ストーク、ヒーターチューブなどの生カーの国際競争力を高め、併せて地球環技術により、省資源、低コスト、高機能産用部材として、さまざまな産業分野で境への負荷を大きく低減することが可能

400 mm

置用のテーブルやステージ、アルミ鋳造活用されています。基幹産業を支える重になるでしょう。

造形」とも言えるのです。

実現した技術が「ステレオファブリック

グコンセプトを部材化プロセスにおいてまさにミニマルマニュファクチャリン要な生産部材として、また、最終製品の品質や生産効率に大きな影響を与える貴重な材料として、重宝されています。
ス テ レ オ フ ァ ブ リ ッ ク 造 形 技 術 と は、このセラミックスを精密な構造をもつ小さなブロックに分けて製造と結合を一体化させて、多様な形状やサイズをもった部材に仕立て直す形状付与技術です。

三次元に組立てステレオファブリック造形 具体化
イメージ B

ステレオファブリック造形 具体化
イメージ A

具体的には、液晶や半導体露光装置用

設計：微視･巨視レベルのテーブルやステージなどに使われるセラミックスは、一メートルを超える大型の部材です。そのため、品質の不均一性や製造歩留まりの低下、長い納期、大型新規な構造をもつ部材
中空精密ユニット

セラミックス用設備の高価格化による高コストといった問題があります。
このようなセラミックス大型部材を、精密構造ユニットの集合体に分解し、それらを立体的に組み立てて一体化するような仕組みに変えるのです。このような

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5組 み 立 て 方 式 に 変 え る と、 多 様 な 形 状、サイズをもったセラミック部材を自在にステレオファブリック造形の概念図

表面の拡大

Φ

25 mm

Φ

600 mm

高度ネットワーク情報化社会の要請に応えさらに小さく、しかも高性能高機能を可能にする【三次元実装技術】があります。この研究開発例として、三Ｍ）の考え方の一つに「統合化、最適化」

能 に し て い る の は、 い っ た い 何 な の でいます。このように、相反することを可同時に高性能高機能化が実現されてきてこれらは近年、軽量・小型化しながら、いて、チップレベルでの三次元積層実装

大学による、ＮＥＤＯプロジェクトにおに、 超 先 端 電 子 技 術 開 発 機 構、 産 総 研、研究開発が進められています。これまでり、 チ ッ プ レ ベ ル、 ウ エ ハ レ ベ ル で は、システムオンチップ装技術の開発に取り組んでいます。

6

産総研 SAN・SO・KEN 2009-1

ミニマルマニュファクチャリング（Ｍ次元実装技術があげられます。

メモリに向けたウエハレベルでの三次元積層実技術が開発されました。現在は、実用化

しかし、加工寸法が ナノメートルをしょうか。それは半導体デバイスの超微

現代の高度ネットワーク情報化社会を
支 え て い る さ ま ざ ま な 電 子 情 報 機 器 は、扱う情報量の増大により、さらなる高性高速信号伝送（10ギガビット毎秒）切ったあたりから、これまでの微細加工シリコン能 高 機 能 化 が 求 め ら れ て い ま す。 コ ン

12.5 µm幅のストリップラインる高機能化は困難となってきました。次12.8 mm

世代のデバイス製造技術開発にブレーキ

20 µm

外部接続用高密度配線インターポーザがかかっています。
そこで着目されているのが、実装技術の高度化によって、システムを高密度集積化・高速化しようという研究です。一つのＬＳＩに機能を詰め込まないで、複数のＬＳＩをパッケージ内で組み合わせて、一つのシステムに仕上げるというやり方です。これをシステムインパッケー
ジ＝ＳＩＰと呼んでいます。
さらに、究極のＳＩＰともいえる実装ポリイミド金技術が、三次元実装技術です。これまで

グランド線 シグナル線 インターポーザ断面技術である光リソグラフィでは、技術の微細化の限界

10 mm

接続ホール（Φ20 µm）周辺

シリコン基盤

シリコン基盤

インターフェイス
CPU

顕微鏡写真

ピューターはもちろん携帯電話、デジタ

LSI チップ
LSI チップ

20 µmピッチ
LSIチップ接続用
バンプパッド・ ・ ・チタン/金・ ・ ・感光性ポリイミド

従来技術
システムオンボード

配線の短縮
回路量の削減複数チップをパッケージ内に集積化
チップ間接続にI/Oバッファ、ＥＳＤ回路必要ストリップライン

内部接続用高密度配線インターポーザ

複雑化により、装置の価格や維持費の上

LSI チップ

ボンディングパッド

金/ポリイミド多層構造

ストリップライン構造

平面上に組み上げられていたシステムを積層化によって高密度・高速化するものです。パッケージレベル、チップレベル、ウエハレベルの三つの方式があり、パッケージレベルはすでに実用化が進んでお電子顕微鏡写真

3次元チップ積層体

100

細加工技術の高度化です。

３次元ＬＳＩチップ積層実装技術

ルカメラ、ビデオカメラ、ＰＤＡを想像

LSI パッケージ

１チップ内に必要なデバイスを高集積化
LSI パッケージ
プリント基盤

複数チップをインターポーザ（超薄型パッケージ）による３次元積層実装技術で高集積化

低消費電力
高機能高速処理

昇など多くの阻害要因が現れて、さらな異種プロセスLSIの集積化すれば実感できます。

システムインパッケージ

3 次元 LSI チップ積層実装必要な環境を、必要な時に、必要なレベルで提供する、次世代のクリーンテクノロジー【局所クリーン化生産システム】

微 細 加 工 を 施 す 製 品 を 作 る に は、 クリーンルーム（ＣＲ）が不可欠です。これまでのＣＲは、単一製品の大量生産に適合するように発展してきました。その典型的なＣＲはボールルーム（舞踏会場）方式といって、その呼び名のように、広く大きなものでした。しかし、今日の私産やモノづくりを行う方式です。

ＥＰＳは、すでに 年から最先端のＩＣ製造工場で、空気中に漂う微粒子を排除する実用システムとして稼働しています。今後の課題は、微粒子だけでなく、ガス分子も遮断する、人と製造物を完全に遮断する高性能ＥＰＳシステムを開発すること、そして、ほかの産業へと応用するための技術開発を行い、普及させることです。そのた

ハーフインチウエハ

たちは日に日にデザインが変更されるよ

開発対象：
製造システムを作業者環境から分離する、局所クリーン化搬送システムの3要素

2000

転送メカ

うな時代、すなわち、多品種少量生産・製造装置本体 前室

め産総研では、ガス遮断能力を持つＥＰＳ

前室変種変量生産の時代を迎えています。大産総研アドバンテージ：
微粒子とガス同時遮断型
前室・容器ドッキングシステム

システムを開発中です。

微粒子とガス分子の両方を遮断するドッキングシステム

性、コスト、エネルギー消費などの点で不利になってきました。
ボールルーム方式のＣＲは、デザインが変わるたびに、装置を気軽に増設したり撤去したりできないのです。また、工場で 万世帯分の電力を消費し、製造していないスタンバイ状態でも、その割もの電力を消費しています。
こ れ ら の 欠 点 を 克 服 す る「 必 要 な環 境 を、 必 要 な 時 に、 必 要 な ク リ ー ン

1 号試作機

レ ベ ル で 」 用 意 す る の が、 ミ ニ マ ル マニュファクチャリングコンセプトと合致する局所クリーン化生産方式ＥＰＳです。
(encapsulated production system)
一言で説明すると、空間全体を「人空産総研 SAN・SO・KEN 2009-1

7間 」 と「 製 造 物 空 間 」 の 二 つ に 分 離 し、局所局所にクリーン化室を設置して、生密閉搬送容器

局所クリーン化システムに組み込まれた集光型ミニマル炉

14

3.転送メカ
2.搬送容器1.前室

産総研内外のミニマルテクノロジーを活用したプロセス装置

5

量生産向けＣＲは使い勝手が悪く、柔軟

アウトカム：
・ジーンズをはいてIC製造
・小さな工場

ジーンズをはいて IC 製造を！

産業システムのミニマル化
ミニマルマニュファクチャリングの要素技術 1 つ 1 つは、高性能・低コスト・低環境負荷という優れた特徴をもっています。しかし、多くは多品種少量生産に向いた手作り的要素技術です。ですから、既存の大量生産システムに、１つのミニマル技術だけを導入しても、全体として環境負荷を多少低減できても一方でコストアップになってしまうかもしれません。ミニマルマニュファクチャリングは産業システムとして機能させることで、潜在的な真価を発揮します。
ミニマル技術を結集したシステムとして、期待されているのが、ミニマルファブです。ファブ(fab)は、ファブリケーション(fabrication)の略語で、半導体微細加工工場のことを指します。ミニマルファブでは、トータルの生産個数が 10 万個程度までの、しかも多くの品種がある、多品種少量デバイスを製造対象とします。年間生産量はこれまでのシステムに比べ 1/1000 ですが、投資も 1/1000 です。それをウエハサイズ1/1000(ハーフインチ)と30cm角の製造装置、そして局所クリーン化技術とで構築し、「ユーザーが望む集積回路チップを、必要な時に、必要な量だけ」供給します。それは、最小の製造単位生産、すなわち小回りの効く１個流しに最適化された製造システムで実現されます。また、将来的には、インクジェットなど資源利用効率とエネルギー利用効率で飛躍的な性能を誇るミニマル技術を多用して、さらに超高効率生産を可能にします。
産業システム応用のもう1 つの例が、化学プラントを高効率化するコプロダクションです。化学プラ
ントというと 1つの大工場を思い浮かべますが、実は、大工場が集合した広大な工場群で構成されています。現状は、1 つ 1 つの工場が、それぞれ原材料を調達し、廃熱処理し、廃棄物を捨てています。しかしよく考えてみると、廃熱は別の工場でそのまま加熱に使えるでしょうし、廃棄物も化学反応などを用いて少し違った物質に転換してやれば、別の工場の原料になるかもしれません。廃棄物、半製品、燃料、エネルギー、これらをプラント全体で活用する統合化でムダを省く考え方とその技術がコプロダクショ
ンです。コプロダクションは、「必要な物質やエネルギーを、必要な工場に、必要なだけ」というミニマ
ルマニュファクチャリングの要請と合致した、新しいプラントテクノロジーです。

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Tel：029-862-6217

Fax：029-862-6212

つくば市梅園1-1-1
E-mail：発行：2009.11

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