光半導体検出素子を材料から開発

浜松ホトニクスの前身は、日本のテレビの父でありブラウン管受像機産みの親である高柳健次郎博士の浜松高等工業(現・静岡大学工学部)時代の門下生だった堀内平八郎ら3人が、1953年に静岡県浜松市に設立した浜松テレビ。以来、光電管をはじめとし、光電子増倍管、撮像管、フォトダイオード、フォトICや半導体イメージセンサなど、光関連製品の研究開発型企業として名を馳せている。

最近では光・X線技術を使った医療、バイオ分野の検査装置、試験装置にも展開している。96年にはニュートリノ検出装置「スーパーカミオカンデ」に20インチ光電子増倍管1万1200本を納入。これを使った研究により2002年に小柴昌俊東京大学名誉教授がノーベル物理学賞を受賞したことでも知られている。

宇宙分野としては、高速テレビカメラを使ったロケット追尾システムに始まり、X線CCDや可視光、近赤外半導体センサなどが、地球観測衛星、天文観測衛星、国際宇宙ステーションなどに幅広く搭載されている。

半導体イメージセンサの拠点である浜松市の本社工場。宇宙用のセンサも大半はここで作られる。

半導体の結晶成長に使用しているMBE(分子線エピタキシ)装置。新しい光半導体検出素子を開発するため、材料開発から手掛けている。

こちらはMOCVD(有機金属気相成長)装置。MBEと同様、結晶成長装置の1つ。

PCVD(プラズマ化学気相成長)装置で薄膜形成を行う。半導体素子に各種の絶縁体・保護膜を形成する。

フォトリソグラフィ技術を使って光半導体素子のデバイスパターンを転写する。

半導体の特性を変化させるために、ウエハにイオンを注入する。

光半導体素子のウエハが完成すると、素子の光特性を測定・評価する。

ウエハが完成すると今度は組み立て工程へ進む。ウエハを円形回転刃で切断してチップにする。

メタルのベースにチップを装着するダイボンド工程。

ワイヤーボンディング工程。メタルベースとチップを金線で接続する。

半導体イメージセンサとして、メタルパッケージ以外に、セラミックパッケージ、プラスチックパッケージなど、様々なパーケージをそろえている。写真はプラスチックパッケージのリードフレームをチップを樹脂で封止する工程。

完成したプラスチックパッケージのイメージセンサの検査装置。

小型・薄型が必要な場合に用いられるチップサイズパッケージの製造工程で、チップを基板に接合するフリップチップボンド。

浜松ホトニクス株式会社

本社所在地 静岡県浜松市
設立年 1953年
従業員数 2938人
売上高 907億円(2011年9月期)
主な製造拠点 本社工場(静岡県浜松市) 三家工場(静岡県磐田市) 新貝工場(静岡県浜松市) 豊岡製作所(静岡県磐田市) 天王製作所(静岡県浜松市) 常光製作所(静岡県浜松市) 都田製作所(静岡県浜松市)
主な製品 フォトダイオード、イメージセンサ、赤外線検出素子、X線センサ、光通信用部品、自動車用部品、工業用カメラ、顕微鏡用カメラ、X線カメラ、分光測定器、LED、半導体レーザ、ライフサイエンス試験機、医療用検査機など
これまで手がけた主な宇宙機器 ロケット追尾用「XYトラッカ」 オーロラ観測衛星「きょっこう」・ハレー彗星探査試験機「さきがけ」の紫外撮像装置 日本の宇宙実験棟「きぼう」の全天X線監視装置「MAXI」 小惑星探査機「はやぶさ」、月探査衛星「かぐや」のX線センサ 「温室効果ガス観測衛星「いぶき」や金星探査機「あかつき」の近赤外線センサなど
企業HP http://jp.hamamatsu.com/

INTERVIEW

インタビュー

宇宙用の光センサは常に新規開発のものです

浜松ホトニクス株式会社
固体事業部 固体第1製造部長 田中章雅氏

浜松ホトニクスが宇宙に取り組み始めたのはいつからですか?

1967年に当時の東京大学の宇宙航空研究所の依頼により、鹿児島県の内之浦宇宙空間観測所で使用するロケット追尾用の「XYトラッカ」を開発しました。当時、NASA(米航空宇宙局)はロケットの追尾に連続写真を使っていたのですが、当社は高レートのテレビカメラで追尾するシステムを開発し、NASAを超えた技術と評価されました。
 その後78年にはオーロラ観測衛星「きょっこう」の紫外撮像装置、85年ハレー彗星探査試験機「さきがけ」の紫外撮像装置を担当しました。これらは光電子増倍管(フォトマル)を使った装置でしたが、95年に打ち上げられた地球観測用技術衛星「みどり」のOCTS(海色海温走査放射計)から半導体イメージセンサを使った装置になりました。すべて当社が新規開発したものです。
 ISS(国際宇宙ステーション)の日本の宇宙実験棟「きぼう」の全天X線監視装置「MAXI」、2003年に打ち上げられた小惑星探査機「はやぶさ」や07年の「かぐや」にも、当社のX線CCD(電荷結合素子)が搭載されています。また09年の温室効果ガス観測衛星「いぶき」や10年の金星探査機「あかつき」にはインジウム・ガリウム砒素半導体を使った近赤外線センサが搭載されています。現在は、X線天文衛星「ASTRO-H」の大規模X線用CCDを開発中です。

はやぶさに搭載されたセンサはどんな活躍をしたのですか?

実は、はやぶさにはX線CCDとCMOS(相補型金属酸化膜半導体)読み出し回路内蔵インジウム・ガリウム砒素近赤外線イメージセンサの両方が搭載されていました。近赤外線センサによる観測で小惑星「イトカワ」の地表の鉱物にカンラン石と輝石が含まれていることが判明し、CCDの観測では地表物質にマグネシウム、アルミニウム、シリコンが含まれていることが判明しました。
 医療用のX線CCDに比べ宇宙用のX線CCDは、検出できるエネルギがはるかに小さい。このため半導体の組成や構造を変えて、分解能に優れ、感度の高いX線CCDを開発しています。

同じX線CCDでも、常に新規開発となるわけですね。

宇宙用はセンサの感度やリーク電流やフィルタなどの要求が毎回異なるため、常に世界最高レベルを目指し、新規開発が必要になります。
 例えば2014年に打ち上げられる予定の「はやぶさ2」では半導体にインジウム砒素を使い、波長3μmまで測定できる赤外線センサが搭載される予定です。こうした長い波長に対応できる赤外線センサは、当社で独自開発するしかありません。
 また、現在でも宇宙用の紫外線領域の測定にはフォトマルが使われています。半導体センサのほうがはるかに電力を消費しないのですが、紫外域に求められる分解能が半導体では能力不足ということで電子管が使われているのです。
 ただ宇宙用における省電力の要求は厳しいものがあり、フォトマル1個ずつの電力消費は微々たるものでも、衛星にはセンサが多数搭載されているので、トータルすると無視できないため、徐々に半導体化されています。こうした要求に応えるためには、新しい技術を切り開いていくことが不可欠なのです。

宇宙用センサは手作りですか?

宇宙用の少量生産品とはいえ、光半導体センサは手作りできません。このため前工程では、LSIやメモリを作るのと同じ半導体製造装置を使い、後工程では自動機を自作などして対応しています。各工程を工夫することで、多品種少量生産に対応するなど生産技術においても新規開発を図っているのです。

宇宙用とその他の製品の技術は何が違いますか

宇宙用は今までにない特性が求められるとともに、打ち上げ時の振動や宇宙での厳しい温度変化、放射線などに耐える耐久性が求められます。当社は、要求が厳しい自動車用の光通信システムなど量産品も手掛けていますが、民生用はそこまでの耐環境特性は求められません。その代わりに厳しいコストダウンや長時間使用時の保証が求められます。

宇宙用の技術は他のビジネスにも生かせますか?

宇宙は1つの環境試験室のようなものなので、宇宙用の製品で信頼性が実証されていることで、その他の製品の信頼性にも好影響をもたらしています。
 当社は研究開発型の企業なので、チャレンジングな仕事が少なくないのですが、その中でも宇宙分野は、厳しい要求にもかかわらず、夢中になって残業も厭わない開発者が続出する分野です。新しい製品を厳しい納期で開発する経験をすることで、技術者のレベルがワンランク向上することも効果の1つでしょう。
 自動車用の光通信システムでも、自動車の温度変化や振動への対処法には、宇宙の経験が生きていると思います。顧客にとっても宇宙を手掛けていることで、製品の信頼性について安心感につながっていると思います。

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