新一代半导体细微加工技术 “纳米压印”研发轶事

[ 引言 ]

半导体制造设备的常识被打破的时刻即将来临。

半导体是现代社会中不可或缺的东西。所谓半导体，就是在晶片（基板）上刻画细微的电子回路使其具备一定功能。主要用途有存储（记忆）、逻辑（计算）、感应（认知）等。从智能手机、电脑到家电、汽车等等，我们身边它无处不在，而IoT以及在各种领域都引人注目的AI的发展也离不开它。

现如今用智能手机拍摄视频并保存已是再普通不过的事，但曾经，手机连图像都不能处理，能保存的只有文字数据。从文字到图像再到视频，能处理大量数据是由于有半导体芯片的惊人进化。要想在晶片的同样面积上刻画更多电子回路以增加记录的信息量，就需要把电子回路做得更细才行。在半导体的世界里，我们把它称作电子回路的“细微化”。

迄今为止，半导体行业里的这种细微化已经有了飞跃发展，但是近年来，它在技术上已经出现了难以突破的瓶颈。而此时新登场的，就是在纳米*级别压印（imprint）掩膜（模子），从而制作电子回路图形的“纳米压印”技术。它和已经出现瓶颈的以往方式有很大区别，是通过另一种技术实现细微化的新一代制造技术。佳能开发了使用这种技术的批量生产设备。这个设备“FPA-1200NZ2C”已经向半导体器方面的知名企业东芝Memory供货。

那么这个“纳米压印”到底使用的是什么样的技术？与以往的方式到底区别在哪里？还有就是它能给我们的生活带来什么？带着这些问题，我采访了担任该技术研发的工程师们。

* 1nm（纳米）：10亿分之1米 

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[ 此次“访谈”的研发人员 ]

——在采访关于纳米压印的故事前，请先给我们介绍一下关于以往半导体制造设备所担当的角色吧。

日下 敦之

通常半导体芯片的制作方法是，在从半导体晶硅切割出的很薄的圆状晶片上，反复进行成膜、曝光、显影、注入负离子等处理，从而生产出半导体芯片。而佳能研发和制造的半导体制造设备所担任的是实际印制电子回路图形的曝光工作，是较能给半导体芯片的细微化和生产效率的提高带来影响的重要工序之一。

半导体芯片的制作过程

① 在晶片上印制电子回路图形

向光罩投射光，从而将电子回路图形曝光到晶片上。通过透镜将光缩小，这样就可以画出更细的线。电子回路的线画得越细，一个半导体芯片中放入的半导体元件就可以越多，从而就能成为高性能、高功能的半导体芯片。

——采用纳米压印方式的半导体制造设备是怎么研发出来的？

中山 贵博

佳能着手该项研发是在2004年。那时细微化进展出现停滞的问题已经是半导体行业内外都在议论的话题，大家希望出现能代替以往半导体制造设备的新东西。半导体制造设备各厂家研究了采用波长13.5纳米的极端紫外线作为曝光光源的EUV（Extreme Ultraviolet）方式，以及通过电子线描画电子回路图形的EB（Electron Beam）方式等等。但是却碰到了诸多问题，例如：这些方式复杂的构造导致价格昂贵，以及这些方式的生产效率很难提高等等。 

于是佳能就赶紧开始研究能简单小巧且低成本地制造芯片的纳米压印方式。佳能公司内部组建了小规模的纳米压印研发队伍，较开始连在公司内部都是严格保密的项目。之后在2014年，一直在搞纳米压印基础技术研发的美国Molecular Imprints公司（现Canon Nanotechnologies公司）加入佳能集团的消息对外公开，这样公司内外才知道了佳能正在推进对纳米压印方式的研发。

首藤 伸一

我是在半途加入研发队伍的，当我知道实际真要搞的时候，说实话，我真怀疑这么精密的东西能不能搞出来。

——你这样怀疑是有理由的吧，能告诉我纳米压印方式与以往方式有怎样的不同，它的难点在哪里吗？

首藤 伸一

以往的设备是使用光来印制电子回路图形，而纳米压印方式的特点是把电子回路图形像盖章那样盖上的。把液滴状的刻胶（树脂）涂到晶片上，然后将掩膜按压（压印）在刻胶上，并重复叠加进行此种按压。这之后经过将掩膜从刻胶分离的“离模”工序，作出电路图形。以往的制作过程是“非接触”，而现在变成了“接触”，这是纳米压印方式与以往方式较大的不同点。 

纳米压印方式的特点

中山 贵博

压印掩膜的优点在于能印制出高分辨率的清晰电子回路图形。
还有，纳米压印方式由于不需要那些用光进行曝光的设备所使用的光源以及大口径透镜组，所以可以把设备自身作得简单廉价而且小巧。由于设备小，所以可以把多台纳米压印设备排列在一起来使用，从而可以提高生产效率。

小笠原 昌辉

纳米压印方式是制作纳米单位的图形。一般都说人类头发的直径是100微米，那也就是说如果每隔20纳米宽刻画1条电子回路，那么这样1根头发的横断面积上能画出5000条电子回路。我们尝试要盖上的，是与大家想象的盖章完全不可相提并论的细微图形。 

日下 敦之

以往设备使用的模子是实际电子回路的4倍大，用透镜将其缩小后曝光印制在晶片上。而纳米压印方式是直接按压模子，所以模子与电子回路是等倍大小。所以简单算就是精度要求提高了4倍，而且像刚才与头发丝比较的例子中说的，电子回路要非常细微。而且，小小的掩膜与晶片对准位置方面也要求要有很高的精度。

——有这么大的难度，你们仍然要搞纳米压印方式，这是出于什么理由？ 

小笠原 昌辉

是因为当时在有可能替代以往设备的各种方式中，看样子较能满足顾客需求的就是纳米压印方式了。也有其它可以实现细微过程的方式。但是那些设备需要巨大的成本，其结果会导致搭载半导体芯片的手机、电脑等商品变得价格昂贵。所以那时我想，佳能研发出纳米压印方式的设备，就可以让人们更廉价地使用各种商品和服务。还有就是在当初着手此项研发时，佳能在半导体制造设备领域与其它公司存在差距，正处于困难之中。所以佳能想让纳米压印方式早早进入实用化阶段，这样就可以成为行业内的第一。

——在实际进行研发时是怎么解决难题的？首先，请讲一讲关于刻胶的喷涂吧。

首藤 伸一

以往的设备是在晶片的表面均匀地形成光刻胶膜。
可是纳米压印的话，是只在需要的地方有针对地喷涂液滴状刻胶。这方面的控制并不容易，要对飞行的液滴量和状态进行测量，在控制部分我们成功地利用了佳能在打印机方面积累的喷墨技术。 

——关于压印过程又怎么样呢？

小笠原 昌辉

压印过程中成问题的是在晶片和掩膜之间会进入空气。想象一下在手机屏幕贴保护膜就容易明白，是很不容易贴好的。纳米压印也是如此，晶片和掩膜之间一旦进入空气，就不能正确地制作电子回路图形了。 

中山 贵博

掩膜是又厚又硬的，但是我们把掩膜中心部分作得比四周薄，让掩膜稍微有弯曲。这样的话，较先是晶片与掩膜的中心部分贴紧，然后放射状地扩大贴紧的面积。这样空气就可以被挤到外面去了。
还有，不管晶片的状态如何，都需要压印到事先设计的位置。晶片看上去好像都一样，但是根据制造工艺的不同，在纳米级别上有很大的个体差异。研发过程中我们渐渐地发现：对有这样差异的一张张晶片，用同一个掩膜接连制作完全相同的电子回路是很困难的。但是，对顾客来说，“以前的制造设备能做到，而纳米压印做不到”，这是无论如何也说不过去的。于是我们采取了只在压印的瞬间对晶片进行局部加热的办法，使晶片在纳米级别发生变形以便和掩膜能严密对准。半导体制造设备的一般常识是“热是造成变形的原因，需要抑制”，而这次，这一固定观念被打破了。

——要进行无偏移的重叠压印，位置和尺寸大小调整是不可或缺的。关于这方面怎么样呢？

日下 敦之

半导体元件是使用各种设备经过多个工序制作出来的。
不断在前一工序形成的电子回路图形上描画新的图形，这样在厚度方向上叠加几十层的图形，才制作出产品。所以在叠加时需要与下面层的位置严密对准，否则就不能实现作为半导体元件的功能。而且下层的电子回路图形不一定是理想的形状，在制造过程中会发生各种变形，所以在叠加时需要对什么样的形状都能灵活地应对。我们管这叫作“重叠”性能，它已成为设备的重要性能指标之一。
我们首先要做的是调整所有电子回路图形的大小和形状，如果这样还是不能提高精度，就寻找原因。设备一运转温度就会发生变化，而温度变化会引起掩膜和晶片的膨胀和收缩，结果尺寸大小发生变化。设计时当然也考虑了这方面，但在实际中如果出现了与预想不一样的结果，就要增加测量偏移程度的点，对取得的数据进行确认，然后试着改变条件。要反复进行这样的测量和改进。这样逐步找到较好的条件。

小笠原 昌辉

关于尺寸大小不对的原因，曾考虑过是不是由于设定温度与实际温度不同造成的。
关于温度，需要控制在0.02度这样极微小的温度差范围内。
我记得当时周围的同事曾问我“真的是与所说的温度相同吗？”这时候我光回答“是相同的”还不够，我还改变温度，或是改变测量点等等，用排除法不断地寻找原因。

日下 敦之

关于重叠的位置调整，我们在掩膜和晶片上刻画特殊的标记以测量位置关系。
因为刻胶有粘性，所以接触时在力的作用下会发生变形。这个变形还会因树脂的种类和状态不同而有微妙的不同，所以对其的精确校正（补偿）需要很高的技术。 

——接下来请讲一讲关于“离模”工序吧。

小笠原 昌辉

关于将掩膜从晶片分离，起初我想的是保持水平的状态一下子分离比较好，但是这样将掩膜从晶片分离时的作用力太大，容易带来损伤，所以需要考虑避免损伤的方法。那么是不是可以像翻书本的纸页那样从一端慢慢地揭开呢？也还是不行，因为这样倾斜地分离的话，掩膜有可能把晶片上好不容易做出的电子回路图形给破坏掉。 

小笠原 昌辉

此处也推翻了一直以来的常识想法。我们局部抬起晶片使之倾斜，然后让晶片和掩膜像一对齿轮那样运动，于是就能在完好保持电子回路图形的状态下进行分离了。我们一般的常识是不能抬起晶片的，所以这次是完全相反的思路。
另外，为了不使掩膜受到损害，我们需要注意去除粉尘颗粒。

——粉尘颗粒是指什么？

首藤 伸一

刚才说压印时提到过如果有空气进入就不能正确地制作电子回路图形。其实同样麻烦的还有粉尘颗粒。
由于是让掩膜接触晶片来刻画电子回路图形，所以如果中间夹杂粉尘颗粒，有可能会破坏掩膜的电子回路图形。

中山 贵博

至少，直径数十纳米大的粉尘颗粒的数量要为零，总之对去除粉尘颗粒的要求比以往设备的要求还要严格。严格到了这种程度时就会发现连测量目标值的测量器本身都不存在，于是只能把比现在世上有的较高感度的测量器所能测量的下限值还低作为实际操作时的目标。  

首藤 伸一

这个作业要去除的是虽然看不见但确实存在的某种东西，所以不是那么简单的。

中山 贵博

首先是要调查清楚粉尘颗粒是从哪里发生的。知道其发生源后，就要与担任机械设计的人员讨论是否能去除。就这样一个一个地去干掉可能发生粉尘颗粒的地方。

首藤 伸一

例如，如果为了抑制粉尘颗粒而追加空调的机构，那么就要在有限的空间里留出相应的空间，而因此有可能需要移动其它的机构，或是需要改动管道的配置等等。如果做了这些就能减少粉尘颗粒那还好，有时并不能如愿以偿，那就只能是从头开始研究，这一来就有可能需要反复修改图纸了。

中山 贵博

每次实际进行改动的都是工厂的人。我们告诉他们在哪里碰到了难题以及想怎样做，于是工厂的人就帮忙做，直到获得满意的效果。就是这样总是麻烦他们。

另外，在推进时与外包承接方的沟通也更加密切超过以往。由于是以前还没有做过的领域的工作，所以材料的选择和加工的方法等等，有时可能在意想不到的地方会给粉尘颗粒的发生带来很大的影响。有很多情况是外包承接方再次外包出去，这时候我们与二次承接方也都会共享材料清单和使用说明资料等等。

——真的是一点点脚踏实地地干啊。

首藤 伸一

粉尘颗粒也是如此，是以1/100、1/1000为单位一点点地减少下来的，有很多部分不是光靠某个突破性的技术横空出世来解决的。

中山 贵博

为了提高精度首先进行模拟，然后实际验证是否能达到预期结果，我们的工作就是反复进行这样的过程。但是进行模拟需要先有“如果这样这样做也许能改进”的想法才行，所以我认为很重要的是能不能想到刚才所提到的与一般常识相反的思路，或是之前没有过的想法。
发现新的难题首先会想自己所在的组能否解决，与此同时还会与其他组的人商量，组成了一个一个共同解决问题的合作圈。所以总能真实地感觉是大家一起在干。目标是一天比一天高，但是我想我们做到了一边奔跑一边反馈地向前迈进。

——这次的研发是与美国的Canon Nanotechnologies公司（以下简称CNT）合作的。具体是怎么合作的呢？

与从CNT出差来的人商议 

小笠原 昌辉

CNT是对纳米压印方式相关的基础技术进行研发，而佳能是把这些技术应用到用于批量生产的设备上，双方就是基于这样的角色分配进行的合作。CNT那边很讲求速度，想法也很灵活，有好几次，让容易被常识捆绑的我们这边都痛感到了自己头脑的僵化。 

首藤 伸一

与像CNT这样决策很快的公司合作，我们受到了好的刺激。这次的合作，是进行并购使其成为集团内公司，同时又与其合作搞新事业，我想这能成为佳能的模范事例。我个人认为这一点也是很有意思的。

——这是佳能以前所没有过的设备。在研发过程中，有没有碰到过新的难题。

小笠原 昌辉

由于是新的方式，在开发过程中有些事逐渐明朗起来，但与此同时，不明白的事也增加了，让我们实实在在地感到了纳米压印技术的深奥。

日下 敦之

由于太细微了，所以用我们已知的物理现象无法解释的情况变多，对实际发生的问题无法用以往的方法进行模拟的情况增多。作为担任过程研发工作的人，我希望能好好地解决它的机制问题。

——既然是研发了新方式，那么也有新的发现吧。

首藤 伸一

如果光靠利用过去积累的技术，恐怕是走不到今天的。纳米压印技术与以往的制造设备相比，无论是排气方面还是温度方面，所要求的精度都超过了较初时的设想，需要进行新的技术研发。另外，由于发生各种各样出乎意料的情况，所以多次需要重新设计，费了不少周折。不仅是质量，在设计时还总是要考虑在成本、空间等各方面都留有余地，我在每天的工作中都感到这一点的重要性。

中山 贵博

通过参加这项研发我还明白了一个道理就是：对新领域进行挑战的工作，同时也就是对该领域的测量设备和模拟装置这些基础设备进行完善的工作。从零开始的挑战说苦当然是苦，但我认为它也能成为我们自身成长的食粮。

——在你作为工程师的职业生涯中，参与这次纳米压印方式半导体制造设备的研发意味着什么？

首藤 伸一

有机会能参加这种推翻以往常识的大项目，我想这是很难得的。作为一名技术人员，我在这一点上感到较大的快乐和兴奋。 

小笠原 昌辉

由于是在前沿技术方面挑战，还有来自顾客的期待，所以当然是感到工作很有价值。作为个人，之前我参与设计的设备曾经失败，所以我想这次一定要让它成功。

日下 敦之

以往对晶片进行曝光时的难题多是佳能这个半导体制造设备厂家独自进行解决的问题，但是纳米压印是接触方式，所以会在很大程度上受到制造设备以外各种各样的影响。
有很多问题都是与CNT等公司合作来解决的，我们深深感到与其他公司合作的必要性，同时每天都有新的发现新的刺激。
另外，我自己这次也经历了去位于美国得克萨斯州奥斯汀的CNT公司长期出差的经验。创业公司所特有的决策速度之快，以及由于是契约社会所以极其明确的业务分工，以及每个人都在对如何进行结果展示、说明上下功夫等等，有很多新的发现，甚至都改变了我的人生观，这样的经验对我来说是宝贵的财产。

首藤 伸一

我经历过半导体行业不景气的金融危机前后的时代，而如今半导体行业又火了起来，我庆幸自己能在较前沿的领域进行挑战。

——佳能的纳米压印方式半导体制造设备已经于2017年7月向东芝Memory公司的四日市工厂供货。现在各位的心情怎样？

东芝Memory公司四日市工厂正在进行调试的纳米压印方式半导体制造设备

“FPA-1200NZ2C”

日下 敦之

感到了成功的喜悦。不过也知道真正的输赢还要看后面。半导体制造设备不是交了货就完事了，为了满足顾客的要求，交货后还需要进行各种调试。我认为需要正确理解顾客要求的内容，并在各种人的帮助下迅速进行应对，直到成为顾客能接受的设备。不过到了这个阶段，设备的性能不可能因为改变某一点而一下子就提高上去了。只能是在预期有改进效果的方面一点点推进来提高性能。

小笠原 昌辉

我也是特别感到输赢还在后面。我感到市场对我们的设备有很大的期待，所以想满足市场的期待，同时在市场开始使用我们的设备后还需要对设备进行改良，所以今后还需要继续努力。 

——半导体是支撑现代社会的东西。而佳能研发的纳米压印方式关系到半导体制造设备下一代标准的制定。关于这一点各位有什么想法。

中山 贵博

一方面我感到今后的2、3年是决定胜负的关键，但同时对此后的发展也感到很期待。我曾经在研究部门工作，那时很难有在市场上推出自己产品的机会。但是这次由于参与了此设备的研发，快的话今年内就能收到市场对我们产品的反馈。现在制造用于生产半导体元件的纳米压印设备的厂家只有佳能，所以我感到很有价值，而且我认为它只要能对社会作贡献就行。

首藤 伸一

我是很看好的，觉得纳米压印方式的这个设备能开创未来。今后的半导体会更细微化，不仅是放到手机里，将来还可能像贴纸一样贴在人的皮肤上，或是作在隐形眼镜里等等。我认为能以顾客所要求的成本和速度实现这样的未来之梦的，只有纳米压印方式。

还有，IoT和AI领域也离不开半导体。以往的话，大容量存储装置多使用硬盘。而现在，在云计算服务所使用的存储大容量数据的数据中心，具有小巧且大容量、高速且低耗电优势的半导体存储器已成为不可或缺的技术。半导体被寄予厚望，而我们的工作是研发制造半导体的设备，我觉得我们是在做让人类社会变得更舒适方便的工作。

[ 结尾 ]

打破以往常识的决心，还有将想法在制造设备上具体实现时的脚踏实地的苦干。正是因为有这两样，才能熬过各种艰难，终于研发出佳能首款纳米压印方式的半导体批量生产设备。总有一天，使用半导体的IoT和AI等等科技会不知不觉地融入我们的日常生活，实现比现在要方便得多舒适得多的人类社会吧。纳米压印也一定会为实现这样的社会做出贡献。

[ 采访结束后 ]

一般说到“首款首个”都会是兴奋的样子，而他们不是，自始至终都是很平静地发言。
在听他们发言的过程中我明白了为什么。因为在他们看来，有问题去解决是理所当然的事情。以产业的发展和在此基础之上的人类美好生活为目标，诚心实意地满足顾客的高度期待，这样的姿态与佳能企业理念的“共生”，以及从佳能创业初期开始传承下来的行动方针“自发、自治、自觉”的“三自精神”是一脉相通的。 

采访与撰稿　：　片濑 京子

1972年出生于东京都。1998年研究生毕业，进入出版社，在杂志编辑部担任记者、编辑工作。从2008年开始独立，成为自由撰稿人。与他人合著书籍有《福岛广播电台的300天》等。