人工知能革命の加速に伴い、半導体は主権AIに必要な計算、メモリ、接続を支える最も重要なハードウェアとなった。米国は半導体製造を再構築するという歴史的な約束を果たしている。新しい工場が建設され、先端プロセスノードが国内に戻り、半導体バリューチェーン全体に数十億ドルが投資されている。
次の課題はそれほど目立たないが、同様に重要である。半導体のリーダーシップは、製造工場や装置だけでなく、それらを支える材料エコシステムにも依存する。プロセス薬品、触媒、磁性材料、エネルギー貯蔵システムはすべて、歩留まり、稼働率、汚染制御、プロセス安定性、製造経済性に影響を与える。多くの重要なインプットは依然として海外に集中している。
米国商務省が最近SandboxAQに提供した5億ドルのCHIPS助成金は、半導体エンジニアが長年理解してきた現実を認めるものである。材料科学は、大規模な先端製造にとって重要なボトルネックとなっている。さらに悪いことに、これらの課題は自己原因的である。我々は長い間、必要な材料と製造プロセスの制御を外国企業に委ねてきた。今こそそれを取り戻す時である。
商務省の取り組みは、半導体生産の中核にある4つの分野に焦点を当てている。PFASフリープロセス薬品、先進触媒、希土類フリーの永久磁石、次世代電池システムである。各分野は重要な科学的課題を表しており、国内の半導体製造の回復力に直接影響を与える。
半導体製造は伝統的に、熱安定性、耐薬品性、誘電特性、耐久性を兼ね備えたPFASベースの材料に大きく依存してきた。これらの材料は、半導体製造プロセス全体を通じて、熱伝達液、絶縁コーティング、潤滑剤、表面処理用途に使用されている。これらを代替するには、性能特性を維持しながら、ますます厳しくなる環境要件を満たす代替分子構造を特定する必要がある。
触媒の発見も同様の課題に直面している。現代の半導体製造は、超高純度ガスや前駆体を生成し、堆積プロセスを実現し、有害な排気ガスを処理するために触媒に依存している。触媒性能の小さな改善でも、生産ライン全体のスループット、エネルギー消費、選択性、純度、歩留まりに影響を与える可能性がある。問題は、プロセス公差が厳しくなり続け、材料の複雑さが増していることである。従来の実験プロセスを通じて改善された触媒配合を特定するには、何年もの反復テストが必要になる可能性がある。
永久磁石はもう一つの重要な依存関係を表している。中国は現在、ネオジムベースの磁石の世界生産の90％以上を支配している。これらの磁石は、精密運動システム、真空ポンプ、ウェハ処理装置、先端リソグラフィーツールの内部に配置されている。それらの性能は、位置決め精度、再現性、装置の信頼性に直接影響を与える。ネオジムや他の重希土類元素への依存を減らすには、既存の製造インフラと互換性があり、同等の性能を達成できる代替磁性材料を発見する必要がある。
最後に、エネルギーの回復力が別の材料課題をもたらす。半導体製造施設は厳密に制御された条件下で稼働しており、短時間の中断でも大量のウェハ損失と装置ダウンタイムが発生する可能性がある。迅速にテストでき、国内で入手可能な材料を使用して製造できる新しい電池化学は、より回復力のある工場運営への道を提供する。
これら4つの課題すべてに共通するのは、材料探索空間の規模と従来の開発手法の能力との間に広がるギャップである。4つの課題すべてに共通するのは、材料探索空間の規模と従来の開発手法の能力との間に広がるギャップである。化学空間は巨大である。従来の実験室的手法では、問題解決に必要な候補分子の数を効率的に評価することができず、従来の言語ベースのモデルは物理的・化学的挙動を直接推論するようには設計されていない。ここで重要となるのが、大規模定量モデル（LQM）という形での定量AIである。
半導体業界は、数十年にわたりデバイス設計やプロセス最適化にシミュレーションを適用してきた。現在、同様の計算手法が材料発見に直接適用されつつある。密度汎関数理論、分子動力学、反応モデリングを含む高忠実度シミュレーション手法を組み合わせることで、研究者は物理に基づく高精度な第一原理トレーニングデータを生成できる。そして、これらのデータセットでLQMを訓練し、設計・製造・テストのワークフローに統合することで、個々の化合物が実験室に入る前に、その化学的性質や相互作用をより正確に予測できるようになる。目標は実験室科学を置き換えることではなく、科学者が実験リソースを最も可能性の高い候補に集中できるようにすることである。
LQMは材料挙動の根底にある物理と化学に基づいているため、研究者はこれまで合成されたことのない化合物、触媒、配合を評価できる。システムは、実験チームが合成、特性評価、認証、スケールアップにリソースを投入する前に、数百万もの候補材料をスクリーニングできる。開発タイムラインへの影響は大きく、これまで数ヶ月から数年かかっていた実験室実験を、数週間から数日に短縮できる可能性がある。
より広い意義は、個々の技術や業界を超えている。半導体分野は、米国の国家安全保障と経済安全保障、そして国際競争力への戦略的価値から最初に選ばれた。チップ製造は、材料科学の進歩がますますプロセス技術の進展を左右する時代に入っている。今後、歩留まり、エネルギー効率、信頼性、持続可能性、製造レジリエンスにおける利益は、業界が従来の開発サイクルよりも迅速に新材料を発見・認証し、国内で製造できるかどうかにかかっている。
したがって、商務省の投資は、半導体業界とより広範な材料エコシステムへの二重の投資と見なされるべきである。強力な国内製造には、強力な国内材料発見、検証、認証、商業化の能力が必要である。米国には、この取り組みをリードするために必要な科学的人材、計算インフラ、国立研究所、大学、製造業者、産業パートナーが揃っている。定量AIはこのエコシステムに新たな能力を加え、研究者がますます複雑化する材料空間をより高い速度と精度でナビゲートすることを可能にする。
半導体製造の未来は、ウェハーが工場に入る前にすでに形作られている。それは、その後の製造の各ステップを支える分子、触媒、磁性材料、化学プロセスによって決定される。この基礎層におけるイノベーションを加速することは、今後数十年にわたってよりレジリエントで持続可能かつ競争力のある半導体産業を構築するために極めて重要である。