新一代半導體細微加工技術(shù) “納米壓印”研發(fā)軼事

[ 引言 ]

半導體制造設備的常識被打破的時刻即將來臨。

半導體是現(xiàn)代社會中不可或缺的東西。所謂半導體，就是在晶片（基板）上刻畫細微的電子回路使其具備一定功能。主要用途有存儲（記憶）、邏輯（計算）、感應（認知）等。從智能手機、電腦到家電、汽車等等，我們身邊它無處不在，而IoT以及在各種領域都引人注目的AI的發(fā)展也離不開它。

現(xiàn)如今用智能手機拍攝視頻并保存已是再普通不過的事，但曾經(jīng)，手機連圖像都不能處理，能保存的只有文字數(shù)據(jù)。從文字到圖像再到視頻，能處理大量數(shù)據(jù)是由于有半導體芯片的驚人進化。要想在晶片的同樣面積上刻畫更多電子回路以增加記錄的信息量，就需要把電子回路做得更細才行。在半導體的世界里，我們把它稱作電子回路的“細微化”。

迄今為止，半導體行業(yè)里的這種細微化已經(jīng)有了飛躍發(fā)展，但是近年來，它在技術(shù)上已經(jīng)出現(xiàn)了難以突破的瓶頸。而此時新登場的，就是在納米*級別壓?。╥mprint）掩膜（模子），從而制作電子回路圖形的“納米壓印”技術(shù)。它和已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸的以往方式有很大區(qū)別，是通過另一種技術(shù)實現(xiàn)細微化的新一代制造技術(shù)。佳能開發(fā)了使用這種技術(shù)的批量生產(chǎn)設備。這個設備“FPA-1200NZ2C”已經(jīng)向半導體器方面的知名企業(yè)東芝Memory供貨。

那么這個“納米壓印”到底使用的是什么樣的技術(shù)？與以往的方式到底區(qū)別在哪里？還有就是它能給我們的生活帶來什么？帶著這些問題，我采訪了擔任該技術(shù)研發(fā)的工程師們。

* 1nm（納米）：10億分之1米 

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[ 此次“訪談”的研發(fā)人員 ]

——在采訪關于納米壓印的故事前，請先給我們介紹一下關于以往半導體制造設備所擔當?shù)慕巧伞?/p>

日下 敦之

通常半導體芯片的制作方法是，在從半導體晶硅切割出的很薄的圓狀晶片上，反復進行成膜、曝光、顯影、注入負離子等處理，從而生產(chǎn)出半導體芯片。而佳能研發(fā)和制造的半導體制造設備所擔任的是實際印制電子回路圖形的曝光工作，是較能給半導體芯片的細微化和生產(chǎn)效率的提高帶來影響的重要工序之一。

半導體芯片的制作過程

① 在晶片上印制電子回路圖形

向光罩投射光，從而將電子回路圖形曝光到晶片上。通過透鏡將光縮小，這樣就可以畫出更細的線。電子回路的線畫得越細，一個半導體芯片中放入的半導體元件就可以越多，從而就能成為高性能、高功能的半導體芯片。

——采用納米壓印方式的半導體制造設備是怎么研發(fā)出來的？

中山 貴博

佳能著手該項研發(fā)是在2004年。那時細微化進展出現(xiàn)停滯的問題已經(jīng)是半導體行業(yè)內(nèi)外都在議論的話題，大家希望出現(xiàn)能代替以往半導體制造設備的新東西。半導體制造設備各廠家研究了采用波長13.5納米的極端紫外線作為曝光光源的EUV（Extreme Ultraviolet）方式，以及通過電子線描畫電子回路圖形的EB（Electron Beam）方式等等。但是卻碰到了諸多問題，例如：這些方式復雜的構(gòu)造導致價格昂貴，以及這些方式的生產(chǎn)效率很難提高等等。 

于是佳能就趕緊開始研究能簡單小巧且低成本地制造芯片的納米壓印方式。佳能公司內(nèi)部組建了小規(guī)模的納米壓印研發(fā)隊伍，較開始連在公司內(nèi)部都是嚴格保密的項目。之后在2014年，一直在搞納米壓印基礎技術(shù)研發(fā)的美國Molecular Imprints公司（現(xiàn)Canon Nanotechnologies公司）加入佳能集團的消息對外公開，這樣公司內(nèi)外才知道了佳能正在推進對納米壓印方式的研發(fā)。

首藤 伸一

我是在半途加入研發(fā)隊伍的，當我知道實際真要搞的時候，說實話，我真懷疑這么精密的東西能不能搞出來。

——你這樣懷疑是有理由的吧，能告訴我納米壓印方式與以往方式有怎樣的不同，它的難點在哪里嗎？

首藤 伸一

以往的設備是使用光來印制電子回路圖形，而納米壓印方式的特點是把電子回路圖形像蓋章那樣蓋上的。把液滴狀的刻膠（樹脂）涂到晶片上，然后將掩膜按壓（壓?。┰诳棠z上，并重復疊加進行此種按壓。這之后經(jīng)過將掩膜從刻膠分離的“離?！惫ば颍鞒鲭娐穲D形。以往的制作過程是“非接觸”，而現(xiàn)在變成了“接觸”，這是納米壓印方式與以往方式較大的不同點。 

納米壓印方式的特點

中山 貴博

壓印掩膜的優(yōu)點在于能印制出高分辨率的清晰電子回路圖形。
還有，納米壓印方式由于不需要那些用光進行曝光的設備所使用的光源以及大口徑透鏡組，所以可以把設備自身作得簡單廉價而且小巧。由于設備小，所以可以把多臺納米壓印設備排列在一起來使用，從而可以提高生產(chǎn)效率。

小笠原 昌輝

納米壓印方式是制作納米單位的圖形。一般都說人類頭發(fā)的直徑是100微米，那也就是說如果每隔20納米寬刻畫1條電子回路，那么這樣1根頭發(fā)的橫斷面積上能畫出5000條電子回路。我們嘗試要蓋上的，是與大家想象的蓋章完全不可相提并論的細微圖形。 

日下 敦之

以往設備使用的模子是實際電子回路的4倍大，用透鏡將其縮小后曝光印制在晶片上。而納米壓印方式是直接按壓模子，所以模子與電子回路是等倍大小。所以簡單算就是精度要求提高了4倍，而且像剛才與頭發(fā)絲比較的例子中說的，電子回路要非常細微。而且，小小的掩膜與晶片對準位置方面也要求要有很高的精度。

——有這么大的難度，你們?nèi)匀灰慵{米壓印方式，這是出于什么理由？ 

小笠原 昌輝

是因為當時在有可能替代以往設備的各種方式中，看樣子較能滿足顧客需求的就是納米壓印方式了。也有其它可以實現(xiàn)細微過程的方式。但是那些設備需要巨大的成本，其結(jié)果會導致搭載半導體芯片的手機、電腦等商品變得價格昂貴。所以那時我想，佳能研發(fā)出納米壓印方式的設備，就可以讓人們更廉價地使用各種商品和服務。還有就是在當初著手此項研發(fā)時，佳能在半導體制造設備領域與其它公司存在差距，正處于困難之中。所以佳能想讓納米壓印方式早早進入實用化階段，這樣就可以成為行業(yè)內(nèi)的第一。

——在實際進行研發(fā)時是怎么解決難題的？首先，請講一講關于刻膠的噴涂吧。

首藤 伸一

以往的設備是在晶片的表面均勻地形成光刻膠膜。
可是納米壓印的話，是只在需要的地方有針對地噴涂液滴狀刻膠。這方面的控制并不容易，要對飛行的液滴量和狀態(tài)進行測量，在控制部分我們成功地利用了佳能在打印機方面積累的噴墨技術(shù)。 

——關于壓印過程又怎么樣呢？

小笠原 昌輝

壓印過程中成問題的是在晶片和掩膜之間會進入空氣。想象一下在手機屏幕貼保護膜就容易明白，是很不容易貼好的。納米壓印也是如此，晶片和掩膜之間一旦進入空氣，就不能正確地制作電子回路圖形了。 

中山 貴博

掩膜是又厚又硬的，但是我們把掩膜中心部分作得比四周薄，讓掩膜稍微有彎曲。這樣的話，較先是晶片與掩膜的中心部分貼緊，然后放射狀地擴大貼緊的面積。這樣空氣就可以被擠到外面去了。
還有，不管晶片的狀態(tài)如何，都需要壓印到事先設計的位置。晶片看上去好像都一樣，但是根據(jù)制造工藝的不同，在納米級別上有很大的個體差異。研發(fā)過程中我們漸漸地發(fā)現(xiàn)：對有這樣差異的一張張晶片，用同一個掩膜接連制作完全相同的電子回路是很困難的。但是，對顧客來說，“以前的制造設備能做到，而納米壓印做不到”，這是無論如何也說不過去的。于是我們采取了只在壓印的瞬間對晶片進行局部加熱的辦法，使晶片在納米級別發(fā)生變形以便和掩膜能嚴密對準。半導體制造設備的一般常識是“熱是造成變形的原因，需要抑制”，而這次，這一固定觀念被打破了。

——要進行無偏移的重疊壓印，位置和尺寸大小調(diào)整是不可或缺的。關于這方面怎么樣呢？

日下 敦之

半導體元件是使用各種設備經(jīng)過多個工序制作出來的。
不斷在前一工序形成的電子回路圖形上描畫新的圖形，這樣在厚度方向上疊加幾十層的圖形，才制作出產(chǎn)品。所以在疊加時需要與下面層的位置嚴密對準，否則就不能實現(xiàn)作為半導體元件的功能。而且下層的電子回路圖形不一定是理想的形狀，在制造過程中會發(fā)生各種變形，所以在疊加時需要對什么樣的形狀都能靈活地應對。我們管這叫作“重疊”性能，它已成為設備的重要性能指標之一。
我們首先要做的是調(diào)整所有電子回路圖形的大小和形狀，如果這樣還是不能提高精度，就尋找原因。設備一運轉(zhuǎn)溫度就會發(fā)生變化，而溫度變化會引起掩膜和晶片的膨脹和收縮，結(jié)果尺寸大小發(fā)生變化。設計時當然也考慮了這方面，但在實際中如果出現(xiàn)了與預想不一樣的結(jié)果，就要增加測量偏移程度的點，對取得的數(shù)據(jù)進行確認，然后試著改變條件。要反復進行這樣的測量和改進。這樣逐步找到較好的條件。

小笠原 昌輝

關于尺寸大小不對的原因，曾考慮過是不是由于設定溫度與實際溫度不同造成的。
關于溫度，需要控制在0.02度這樣極微小的溫度差范圍內(nèi)。
我記得當時周圍的同事曾問我“真的是與所說的溫度相同嗎？”這時候我光回答“是相同的”還不夠，我還改變溫度，或是改變測量點等等，用排除法不斷地尋找原因。

日下 敦之

關于重疊的位置調(diào)整，我們在掩膜和晶片上刻畫特殊的標記以測量位置關系。
因為刻膠有粘性，所以接觸時在力的作用下會發(fā)生變形。這個變形還會因樹脂的種類和狀態(tài)不同而有微妙的不同，所以對其的精確校正（補償）需要很高的技術(shù)。 

——接下來請講一講關于“離?！惫ば虬?。

小笠原 昌輝

關于將掩膜從晶片分離，起初我想的是保持水平的狀態(tài)一下子分離比較好，但是這樣將掩膜從晶片分離時的作用力太大，容易帶來損傷，所以需要考慮避免損傷的方法。那么是不是可以像翻書本的紙頁那樣從一端慢慢地揭開呢？也還是不行，因為這樣傾斜地分離的話，掩膜有可能把晶片上好不容易做出的電子回路圖形給破壞掉。 

小笠原 昌輝

此處也推翻了一直以來的常識想法。我們局部抬起晶片使之傾斜，然后讓晶片和掩膜像一對齒輪那樣運動，于是就能在完好保持電子回路圖形的狀態(tài)下進行分離了。我們一般的常識是不能抬起晶片的，所以這次是完全相反的思路。
另外，為了不使掩膜受到損害，我們需要注意去除粉塵顆粒。

——粉塵顆粒是指什么？

首藤 伸一

剛才說壓印時提到過如果有空氣進入就不能正確地制作電子回路圖形。其實同樣麻煩的還有粉塵顆粒。
由于是讓掩膜接觸晶片來刻畫電子回路圖形，所以如果中間夾雜粉塵顆粒，有可能會破壞掩膜的電子回路圖形。

中山 貴博

至少，直徑數(shù)十納米大的粉塵顆粒的數(shù)量要為零，總之對去除粉塵顆粒的要求比以往設備的要求還要嚴格。嚴格到了這種程度時就會發(fā)現(xiàn)連測量目標值的測量器本身都不存在，于是只能把比現(xiàn)在世上有的較高感度的測量器所能測量的下限值還低作為實際操作時的目標。  

首藤 伸一

這個作業(yè)要去除的是雖然看不見但確實存在的某種東西，所以不是那么簡單的。

中山 貴博

首先是要調(diào)查清楚粉塵顆粒是從哪里發(fā)生的。知道其發(fā)生源后，就要與擔任機械設計的人員討論是否能去除。就這樣一個一個地去干掉可能發(fā)生粉塵顆粒的地方。

首藤 伸一

例如，如果為了抑制粉塵顆粒而追加空調(diào)的機構(gòu)，那么就要在有限的空間里留出相應的空間，而因此有可能需要移動其它的機構(gòu)，或是需要改動管道的配置等等。如果做了這些就能減少粉塵顆粒那還好，有時并不能如愿以償，那就只能是從頭開始研究，這一來就有可能需要反復修改圖紙了。

中山 貴博

每次實際進行改動的都是工廠的人。我們告訴他們在哪里碰到了難題以及想怎樣做，于是工廠的人就幫忙做，直到獲得滿意的效果。就是這樣總是麻煩他們。

另外，在推進時與外包承接方的溝通也更加密切超過以往。由于是以前還沒有做過的領域的工作，所以材料的選擇和加工的方法等等，有時可能在意想不到的地方會給粉塵顆粒的發(fā)生帶來很大的影響。有很多情況是外包承接方再次外包出去，這時候我們與二次承接方也都會共享材料清單和使用說明資料等等。

——真的是一點點腳踏實地地干啊。

首藤 伸一

粉塵顆粒也是如此，是以1/100、1/1000為單位一點點地減少下來的，有很多部分不是光靠某個突破性的技術(shù)橫空出世來解決的。

中山 貴博

為了提高精度首先進行模擬，然后實際驗證是否能達到預期結(jié)果，我們的工作就是反復進行這樣的過程。但是進行模擬需要先有“如果這樣這樣做也許能改進”的想法才行，所以我認為很重要的是能不能想到剛才所提到的與一般常識相反的思路，或是之前沒有過的想法。
發(fā)現(xiàn)新的難題首先會想自己所在的組能否解決，與此同時還會與其他組的人商量，組成了一個一個共同解決問題的合作圈。所以總能真實地感覺是大家一起在干。目標是一天比一天高，但是我想我們做到了一邊奔跑一邊反饋地向前邁進。

——這次的研發(fā)是與美國的Canon Nanotechnologies公司（以下簡稱CNT）合作的。具體是怎么合作的呢？

與從CNT出差來的人商議 

小笠原 昌輝

CNT是對納米壓印方式相關的基礎技術(shù)進行研發(fā)，而佳能是把這些技術(shù)應用到用于批量生產(chǎn)的設備上，雙方就是基于這樣的角色分配進行的合作。CNT那邊很講求速度，想法也很靈活，有好幾次，讓容易被常識捆綁的我們這邊都痛感到了自己頭腦的僵化。 

首藤 伸一

與像CNT這樣決策很快的公司合作，我們受到了好的刺激。這次的合作，是進行并購使其成為集團內(nèi)公司，同時又與其合作搞新事業(yè)，我想這能成為佳能的模范事例。我個人認為這一點也是很有意思的。

——這是佳能以前所沒有過的設備。在研發(fā)過程中，有沒有碰到過新的難題。

小笠原 昌輝

由于是新的方式，在開發(fā)過程中有些事逐漸明朗起來，但與此同時，不明白的事也增加了，讓我們實實在在地感到了納米壓印技術(shù)的深奧。

日下 敦之

由于太細微了，所以用我們已知的物理現(xiàn)象無法解釋的情況變多，對實際發(fā)生的問題無法用以往的方法進行模擬的情況增多。作為擔任過程研發(fā)工作的人，我希望能好好地解決它的機制問題。

——既然是研發(fā)了新方式，那么也有新的發(fā)現(xiàn)吧。

首藤 伸一

如果光靠利用過去積累的技術(shù)，恐怕是走不到今天的。納米壓印技術(shù)與以往的制造設備相比，無論是排氣方面還是溫度方面，所要求的精度都超過了較初時的設想，需要進行新的技術(shù)研發(fā)。另外，由于發(fā)生各種各樣出乎意料的情況，所以多次需要重新設計，費了不少周折。不僅是質(zhì)量，在設計時還總是要考慮在成本、空間等各方面都留有余地，我在每天的工作中都感到這一點的重要性。

中山 貴博

通過參加這項研發(fā)我還明白了一個道理就是：對新領域進行挑戰(zhàn)的工作，同時也就是對該領域的測量設備和模擬裝置這些基礎設備進行完善的工作。從零開始的挑戰(zhàn)說苦當然是苦，但我認為它也能成為我們自身成長的食糧。

——在你作為工程師的職業(yè)生涯中，參與這次納米壓印方式半導體制造設備的研發(fā)意味著什么？

首藤 伸一

有機會能參加這種推翻以往常識的大項目，我想這是很難得的。作為一名技術(shù)人員，我在這一點上感到較大的快樂和興奮。 

小笠原 昌輝

由于是在前沿技術(shù)方面挑戰(zhàn)，還有來自顧客的期待，所以當然是感到工作很有價值。作為個人，之前我參與設計的設備曾經(jīng)失敗，所以我想這次一定要讓它成功。

日下 敦之

以往對晶片進行曝光時的難題多是佳能這個半導體制造設備廠家獨自進行解決的問題，但是納米壓印是接觸方式，所以會在很大程度上受到制造設備以外各種各樣的影響。
有很多問題都是與CNT等公司合作來解決的，我們深深感到與其他公司合作的必要性，同時每天都有新的發(fā)現(xiàn)新的刺激。
另外，我自己這次也經(jīng)歷了去位于美國得克薩斯州奧斯汀的CNT公司長期出差的經(jīng)驗。創(chuàng)業(yè)公司所特有的決策速度之快，以及由于是契約社會所以極其明確的業(yè)務分工，以及每個人都在對如何進行結(jié)果展示、說明上下功夫等等，有很多新的發(fā)現(xiàn)，甚至都改變了我的人生觀，這樣的經(jīng)驗對我來說是寶貴的財產(chǎn)。

首藤 伸一

我經(jīng)歷過半導體行業(yè)不景氣的金融危機前后的時代，而如今半導體行業(yè)又火了起來，我慶幸自己能在較前沿的領域進行挑戰(zhàn)。

——佳能的納米壓印方式半導體制造設備已經(jīng)于2017年7月向東芝Memory公司的四日市工廠供貨?，F(xiàn)在各位的心情怎樣？

東芝Memory公司四日市工廠正在進行調(diào)試的納米壓印方式半導體制造設備

“FPA-1200NZ2C”

日下 敦之

感到了成功的喜悅。不過也知道真正的輸贏還要看后面。半導體制造設備不是交了貨就完事了，為了滿足顧客的要求，交貨后還需要進行各種調(diào)試。我認為需要正確理解顧客要求的內(nèi)容，并在各種人的幫助下迅速進行應對，直到成為顧客能接受的設備。不過到了這個階段，設備的性能不可能因為改變某一點而一下子就提高上去了。只能是在預期有改進效果的方面一點點推進來提高性能。

小笠原 昌輝

我也是特別感到輸贏還在后面。我感到市場對我們的設備有很大的期待，所以想滿足市場的期待，同時在市場開始使用我們的設備后還需要對設備進行改良，所以今后還需要繼續(xù)努力。 

——半導體是支撐現(xiàn)代社會的東西。而佳能研發(fā)的納米壓印方式關系到半導體制造設備下一代標準的制定。關于這一點各位有什么想法。

中山 貴博

一方面我感到今后的2、3年是決定勝負的關鍵，但同時對此后的發(fā)展也感到很期待。我曾經(jīng)在研究部門工作，那時很難有在市場上推出自己產(chǎn)品的機會。但是這次由于參與了此設備的研發(fā)，快的話今年內(nèi)就能收到市場對我們產(chǎn)品的反饋。現(xiàn)在制造用于生產(chǎn)半導體元件的納米壓印設備的廠家只有佳能，所以我感到很有價值，而且我認為它只要能對社會作貢獻就行。

首藤 伸一

我是很看好的，覺得納米壓印方式的這個設備能開創(chuàng)未來。今后的半導體會更細微化，不僅是放到手機里，將來還可能像貼紙一樣貼在人的皮膚上，或是作在隱形眼鏡里等等。我認為能以顧客所要求的成本和速度實現(xiàn)這樣的未來之夢的，只有納米壓印方式。

還有，IoT和AI領域也離不開半導體。以往的話，大容量存儲裝置多使用硬盤。而現(xiàn)在，在云計算服務所使用的存儲大容量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，具有小巧且大容量、高速且低耗電優(yōu)勢的半導體存儲器已成為不可或缺的技術(shù)。半導體被寄予厚望，而我們的工作是研發(fā)制造半導體的設備，我覺得我們是在做讓人類社會變得更舒適方便的工作。

[ 結(jié)尾 ]

打破以往常識的決心，還有將想法在制造設備上具體實現(xiàn)時的腳踏實地的苦干。正是因為有這兩樣，才能熬過各種艱難，終于研發(fā)出佳能首款納米壓印方式的半導體批量生產(chǎn)設備?？傆幸惶?，使用半導體的IoT和AI等等科技會不知不覺地融入我們的日常生活，實現(xiàn)比現(xiàn)在要方便得多舒適得多的人類社會吧。納米壓印也一定會為實現(xiàn)這樣的社會做出貢獻。

[ 采訪結(jié)束后 ]

一般說到“首款首個”都會是興奮的樣子，而他們不是，自始至終都是很平靜地發(fā)言。
在聽他們發(fā)言的過程中我明白了為什么。因為在他們看來，有問題去解決是理所當然的事情。以產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和在此基礎之上的人類美好生活為目標，誠心實意地滿足顧客的高度期待，這樣的姿態(tài)與佳能企業(yè)理念的“共生”，以及從佳能創(chuàng)業(yè)初期開始傳承下來的行動方針“自發(fā)、自治、自覺”的“三自精神”是一脈相通的。 

采訪與撰稿　：　片瀨 京子

1972年出生于東京都。1998年研究生畢業(yè)，進入出版社，在雜志編輯部擔任記者、編輯工作。從2008年開始獨立，成為自由撰稿人。與他人合著書籍有《福島廣播電臺的300天》等。