距2011年3月發(fā)生的東日本大地震已經(jīng)過(guò)去了8個(gè)多月。因海嘯而遭受重創(chuàng)的巖手、宮城及福島3縣的東北地區(qū)怎樣才能實(shí)現(xiàn)復(fù)興？誰(shuí)也沒(méi)能描繪出一個(gè)確切的藍(lán)圖，面對(duì)這種情況，半導(dǎo)體制造技術(shù)的全球權(quán)威、日本東北大學(xué)名譽(yù)教授大見(jiàn)忠弘一語(yǔ)道破，“讓太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)成為東北地區(qū)新的骨干產(chǎn)業(yè)”。

大見(jiàn)教授之所以敢說(shuō)這句話(huà)，是因?yàn)橐运麨楹诵拈_(kāi)發(fā)了30年的半導(dǎo)體制造裝置的出現(xiàn)。據(jù)稱(chēng)如果該裝置制作完成，則將有可能改寫(xiě)全球的能源地圖。大見(jiàn)教授在1980年代，讓當(dāng)時(shí)備受日本企業(yè)擠壓而業(yè)績(jī)低迷的美國(guó)英特爾公司大幅提高了制造設(shè)備的性能和生產(chǎn)效率，為英特爾的飛躍作出了很大貢獻(xiàn)，由此成為業(yè)界名人。其研究成果不僅受到了日本國(guó)內(nèi)，海外企業(yè)也很關(guān)注。以下為大見(jiàn)教授的專(zhuān)訪。

面對(duì)前所未有的大地震，我們東北大學(xué)能做的，就是開(kāi)發(fā)新技術(shù)、振興產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)造利潤(rùn)、造福日本的東北地區(qū)。如果能興起一個(gè)新產(chǎn)業(yè)，全球的優(yōu)秀人才和資本也會(huì)聚集而來(lái)。另外，如果把新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的利潤(rùn)投入到新的技術(shù)開(kāi)發(fā)中，還將有助于創(chuàng)造下一個(gè)新產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生良性循環(huán)。我認(rèn)為，太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)正是能使東北地區(qū)產(chǎn)生這種良性循環(huán)的起爆劑�，F(xiàn)在，希望找出能取代核電的自然能源的呼聲日益高漲，作為其主流，光伏發(fā)電收到了極大的關(guān)注。但遺憾的是，現(xiàn)在的光伏技術(shù)，“太陽(yáng)能電池發(fā)出的電力”，還遠(yuǎn)少于“用于制造太陽(yáng)能電池消費(fèi)的能源”。可以說(shuō)，使用太陽(yáng)能電池不僅不能削減二氧化碳，而且還會(huì)增加二氧化碳。聽(tīng)到這話(huà)，性急的人可能就會(huì)放棄對(duì)太陽(yáng)能電池寄予的期待。不過(guò)我覺(jué)得沒(méi)有必要放棄希望。這是因?yàn)�，我說(shuō)的是“現(xiàn)在的技術(shù)水平”，可以通過(guò)技術(shù)革新解決這個(gè)問(wèn)題。

太陽(yáng)能電池成長(zhǎng)為真正產(chǎn)業(yè)的兩大課題

太陽(yáng)能電池是半導(dǎo)體的一種，為生產(chǎn)半導(dǎo)體而開(kāi)發(fā)的新制造技術(shù)也能夠用于制造太陽(yáng)能電池�？偠�言之，就是需要解決以下兩個(gè)課題。一是要開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有水平的“超高性能”、“超高生產(chǎn)效率”的新式半導(dǎo)體制造裝置。另一個(gè)課題是要使用該裝置，能夠大量生產(chǎn)“高轉(zhuǎn)換效率”薄膜硅太陽(yáng)能電池。如果能夠通過(guò)技術(shù)革新解決這兩大課題的話(huà)，便能夠生產(chǎn)并提供具有壓倒性低價(jià)、轉(zhuǎn)換效率較高的太陽(yáng)能電池。

轉(zhuǎn)換效率 該數(shù)字表示射向太陽(yáng)能電池的光能源中，有百分之幾能轉(zhuǎn)換成電力能源。薄膜硅 現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池可大致分為“結(jié)晶型”和“薄膜型”兩種。使用結(jié)晶硅的“結(jié)晶型”雖然原料成本較高，但轉(zhuǎn)換效率較高。主流的多晶硅型太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率（電池單元）為15～18％。另一方面，“薄膜型”是通過(guò)使硅和化合物半導(dǎo)體等原料在玻璃基板上直接成膜制作而成。轉(zhuǎn)換效率與結(jié)晶型相比比較低，但如果能夠確立生產(chǎn)效率較高的大量生產(chǎn)技術(shù)，便可大幅減低制造成本。如果能夠以低價(jià)大量生產(chǎn)并提供轉(zhuǎn)換效率較高的太陽(yáng)能電池，就有可能在完全不使用化石燃料的情況下，滿(mǎn)足全球的電力需求。根據(jù)我的推算，如果能把太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率（從現(xiàn)在主流產(chǎn)品多晶硅型太陽(yáng)能電池的15～18％）提高到30％，那么全球僅需設(shè)置面積為8萬(wàn)平方公里（相當(dāng)于日本國(guó)土的22.2％）的太陽(yáng)能電池，就能夠夢(mèng)想成真。

如果使用我們目前正在開(kāi)發(fā)的“多層構(gòu)造型”太陽(yáng)能電池，就有可能實(shí)現(xiàn)30％的轉(zhuǎn)換效率。該電池是縱向重疊非晶硅（α-Si）和微晶硅（μc-Si），并用電極夾住。另外，材料所需的硅材料現(xiàn)在的年產(chǎn)量就能滿(mǎn)足需求。如果這種高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池得到普及，那么地球上的沙漠便可通過(guò)海水淡化而變成綠洲，電動(dòng)汽車(chē)往來(lái)的大都會(huì)將變得既安靜又清潔。全球或許會(huì)因此而發(fā)生巨大變化。從提出構(gòu)想開(kāi)始，到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)了30年。一路走來(lái)，我們遇到并克服了許多困難。為了加工世界上并不存在的部件，我們甚至自己開(kāi)發(fā)機(jī)床，主要技術(shù)全部都是獨(dú)自完成的。該項(xiàng)目目前已經(jīng)有30多家研究開(kāi)發(fā)型企業(yè)參與，將迎來(lái)最后階段。

部件加工機(jī)械和主要技術(shù)都是獨(dú)自開(kāi)發(fā)

除了太陽(yáng)能電池之外，我們還積極開(kāi)發(fā)了用于制造太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體制造裝置，這是因?yàn)楝F(xiàn)在的半導(dǎo)體制造裝置性能低下、生產(chǎn)效率低且價(jià)格昂貴。例如，要建設(shè)一處45納米級(jí)LSI（大規(guī)模集成電路）設(shè)備，需要5000億～1萬(wàn)億日元的龐大投資。需要巨額建設(shè)費(fèi)的最大原因在于，必須設(shè)置大量（可在內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)及物理反應(yīng)的）反應(yīng)容器。制造LSI需要約1000道工序。而現(xiàn)在的制造裝置中1個(gè)反應(yīng)容器只能進(jìn)行1道工序。

所以要準(zhǔn)備與工序數(shù)量相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)容器，依次把基板從一個(gè)反應(yīng)容器搬運(yùn)到另一個(gè)反應(yīng)容器，在基板表面形成層。制造太陽(yáng)能電池也與之相同。原來(lái)每個(gè)反應(yīng)容器只能進(jìn)行1道工序的原因在于，如果無(wú)法使各種等離子氣體保持一定的種類(lèi)和壓力狀態(tài)，便無(wú)法維持等離子的空間均一性，基板上的MOS（金屬氧化膜半導(dǎo)體）晶體管的柵極絕緣膜就會(huì)破損。

而且，由于會(huì)產(chǎn)生大量粉末狀反應(yīng)生成物，這些裝置被認(rèn)為“簡(jiǎn)直就是制粉器”，必須多次花時(shí)間對(duì)反應(yīng)容器內(nèi)部進(jìn)行清理。此時(shí)就需要停止生產(chǎn)。另外，搬運(yùn)方面，直徑30厘米左右的硅基板倒還好說(shuō)，如果是大型顯示器和太陽(yáng)能電池的大型玻璃基板，就會(huì)非常麻煩。如果生產(chǎn)效率如此之低，太陽(yáng)能電池的價(jià)格就會(huì)變得非常高，無(wú)法形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)。必須使生產(chǎn)效率產(chǎn)生飛躍性提升。因此我開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)在1個(gè)反應(yīng)容器中，通過(guò)依次切換氣體種類(lèi)和工序條件來(lái)進(jìn)行多道工序，可大幅減少基板搬運(yùn)次數(shù)的制造裝置。我們通過(guò)采用新方式，在一個(gè)反應(yīng)容器內(nèi)陸續(xù)切換氣體種類(lèi)，并對(duì)不同薄膜進(jìn)行連續(xù)成膜及連續(xù)蝕刻。

另外，通過(guò)將反應(yīng)容器內(nèi)的氣體流通均勻控制為層流狀態(tài)，而非湍流狀態(tài)，反應(yīng)容器內(nèi)沒(méi)有形成反應(yīng)生成物，反應(yīng)生成物也不會(huì)完全吸附在反應(yīng)容器表面及排氣管道。這樣一來(lái)，半導(dǎo)體及太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)效率極有可能提高到數(shù)十倍。為了推出采用這種新方式的制造裝置，我們花費(fèi)30年的時(shí)間開(kāi)發(fā)出了大量核心技術(shù)。其中之一便是具有極高排氣性能、采用不等傾斜角及不等間距螺旋槳構(gòu)造的氣泵。此前，并不存在這種從數(shù)百分之一氣壓到數(shù)十萬(wàn)分之一氣壓狀態(tài)下均可排氣的高性能氣泵。這種形狀特殊、傾斜角及間距均不等的螺旋槳很難加工，自1993年理論知識(shí)確立之后，從成形到性能驗(yàn)證共花費(fèi)了4年的時(shí)間。

最近，加工一個(gè)螺旋槳只需15個(gè)小時(shí)。不久以后，10個(gè)小時(shí)以?xún)?nèi)即可完成，加工時(shí)間縮短到這個(gè)程度之后，就可達(dá)到實(shí)用水平了。因此，開(kāi)發(fā)此泵共花費(fèi)了22年的時(shí)間。為了在吹氣孔內(nèi)部，不讓可在反應(yīng)容器內(nèi)使層流狀氣體均勻流通的簇射極板產(chǎn)生異常放電，吹氣孔的直徑必須控制在0.1毫米左右，并且需要將反應(yīng)容器內(nèi)吹出氣體的流速控制在每秒數(shù)米左右。為此，必須增加吹氣孔的數(shù)量。具體為每平方厘米需要約1000個(gè)吹氣孔。

關(guān)于直徑30厘米的硅基板用半導(dǎo)體制造裝置，一個(gè)反應(yīng)容器需要約100萬(wàn)個(gè)吹氣孔，而基板尺寸為1.2米×1.65米的太陽(yáng)能電池及2,88米×3.08米的大型顯示器分別需要3000萬(wàn)個(gè)和12000萬(wàn)個(gè)吹氣孔。因此，我們自主開(kāi)發(fā)出了新型沖壓加工技術(shù)。這樣，工匠需要花費(fèi)半年到幾年時(shí)間的工序，我們幾個(gè)小時(shí)就可完成，今后很可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

研究人員的目標(biāo)并不是寫(xiě)論文

“我是電子方面的研究人員，是門(mén)外漢”，如果如此畏手畏腳的話(huà)就毫無(wú)進(jìn)步可言。我們并不為了寫(xiě)論文，而是以開(kāi)發(fā)出的技術(shù)及裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)用化為絕對(duì)目標(biāo)而展開(kāi)研究的。因?yàn)橛纱藶樯鐣?huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)是一直受社會(huì)培養(yǎng)的研究人員的責(zé)任。在開(kāi)發(fā)新制造裝置的同時(shí)，半導(dǎo)體本身的性能也需要實(shí)現(xiàn)飛躍性的提高。從英特爾制造CPU的進(jìn)化史來(lái)看，在2005年之前其工作速度一直在順利提高，而到了2005年以后卻完全停止了進(jìn)步。

其原因就在于器件及銅布線的過(guò)度微細(xì)化。當(dāng)微細(xì)化推進(jìn)到40納米以下時(shí)，銅布線中的電子的平均自由行程就會(huì)變得更細(xì)，因此會(huì)變得非常大，導(dǎo)致電流難以流過(guò)。盡管如此，他們還是執(zhí)著地持續(xù)推進(jìn)著微細(xì)化，32納米、22納米、16納米、11納米、7納米、5納米、3.5納米，甚至是1.8納米。我認(rèn)為微細(xì)化要止步于45納米，再推進(jìn)的話(huà)應(yīng)該朝著三維立體構(gòu)造的方向進(jìn)行集成。另外，指出“硅存在極限”，繼而將方向轉(zhuǎn)向化合物半導(dǎo)體及鍺等其他材料的做法也是錯(cuò)誤的。要想制造出超高速的集成電路，只有硅能做到。硅并未達(dá)到極限，人類(lèi)尚未挖掘出硅結(jié)晶的全部性能。

因此，我們通過(guò)用所掌握的知識(shí)開(kāi)發(fā)出真正的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，正逐步實(shí)現(xiàn)“超高性能超高性能均衡CMOS（互補(bǔ)金屬氧化膜半導(dǎo)體）”、“電路設(shè)計(jì)的超短時(shí)間化”，以及“光掩膜制造的超短時(shí)間化和超低成本化”。未來(lái)的最終目的是將“全CMOS系統(tǒng)LSI”培育成“真正的產(chǎn)業(yè)”。系統(tǒng)LSI就是指軟件全部嵌入芯片中的LSI。這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的話(huà)，與利用軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)英特爾現(xiàn)有通用微處理器的系統(tǒng)相比，就有望實(shí)現(xiàn)提高數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍之多的性能。

而且這樣一來(lái)還能夠降低耗電量。有觀點(diǎn)認(rèn)為，在2010年代的北美大陸，信息通信設(shè)備的耗電量將占到總耗電量的50％以上。如果同一性能的系統(tǒng)也行的話(huà)，通過(guò)利用全CMOS的系統(tǒng)LSI，便可將這一耗電量驟減至數(shù)百分之一乃至數(shù)千分之一，從而為節(jié)能做出巨大貢獻(xiàn)。這對(duì)產(chǎn)業(yè)界的沖擊無(wú)法估量。如前所述，近來(lái)以日本東北大學(xué)為中心，在具備各種技術(shù)特點(diǎn)的企業(yè)協(xié)助下，為實(shí)現(xiàn)相關(guān)項(xiàng)目展開(kāi)了行動(dòng)。整個(gè)裝置的系統(tǒng)由日本東北大學(xué)、東電電子來(lái)負(fù)責(zé)。參與項(xiàng)目的企業(yè)眾多，僅代表性公司，比如為裝置提供各種原材料的廠商，負(fù)責(zé)加工這些原材料的企業(yè)、負(fù)責(zé)表面處理的企業(yè)、負(fù)責(zé)各種構(gòu)件和部件的企業(yè)，以及負(fù)責(zé)計(jì)測(cè)和控制的企業(yè)等，就超過(guò)了30家。

參與開(kāi)發(fā)的有大企業(yè)，也有銷(xiāo)售規(guī)模很小但擁有自主技術(shù)的中小企業(yè)。缺了哪一家，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這些企業(yè)聯(lián)起手來(lái)，為開(kāi)辟基于超高性能制造裝置產(chǎn)業(yè)的新業(yè)務(wù)模式而付出了努力。日本缺乏能夠洞悉新事物價(jià)值所在的經(jīng)營(yíng)者我認(rèn)為在技術(shù)實(shí)力上，日本目前仍高居世界之巔。但卻缺乏像曾在索尼的井深大氏、盛田昭夫那樣的、在新生事物出現(xiàn)時(shí)，能夠洞悉其價(jià)值所在，在世界上最快做出決斷，繼而加以充分利用的經(jīng)營(yíng)者。

只要看到介紹新技術(shù)開(kāi)發(fā)成果的發(fā)布資料，第二天韓國(guó)三星電子及全球最大的半導(dǎo)體代工廠商臺(tái)積電的董事長(zhǎng)就會(huì)飛到現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)場(chǎng)拍板希望要多少臺(tái)。但日本企業(yè)既沒(méi)有這樣的速度，也沒(méi)有這樣的決策魄力。近20年，日本電子產(chǎn)業(yè)停滯不前的原因就在于缺乏這種有先見(jiàn)性并敢于發(fā)起挑戰(zhàn)的經(jīng)營(yíng)者。另外，企業(yè)之間的合作也大多因?yàn)榻?jīng)營(yíng)者目光短淺而進(jìn)展不順。

在這種情況下，能夠獲得如此多企業(yè)的參與，并形成適于使超高性能半導(dǎo)體制造裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的體制，實(shí)在是一件令人歡欣鼓舞之事。日本東北地區(qū)作為半導(dǎo)體及太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)聚集的全球據(jù)點(diǎn)，蘊(yùn)藏著能夠像鳳凰涅磐一樣的再生潛力。對(duì)于資源匱乏的日本來(lái)說(shuō)，要想使1億2800萬(wàn)人民過(guò)上并非只是溫飽的富足生活，只有“產(chǎn)業(yè)立國(guó)”這一條路。該項(xiàng)目不僅對(duì)東北這一個(gè)地區(qū)，對(duì)于整個(gè)日本都是巨大福音，身為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的研究人員，我將全身心投入其中。