距2011年3月發(fā)生的東日本大地震已經(jīng)過去了8個多月。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？誰也沒能描繪出一個確切的藍(lán)圖，面對這種情況，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)教授大見忠弘一語道破，“讓太陽能電池產(chǎn)業(yè)成為東北地區(qū)新的骨干產(chǎn)業(yè)”。
大見教授之所以敢說這句話，是因?yàn)橐运麨楹诵拈_發(fā)了30年的半導(dǎo)體制造裝置的出現(xiàn)。據(jù)稱如果該裝置制作完成，則將有可能改寫全球的能源地圖。大見教授在1980年代，讓當(dāng)時備受日本企業(yè)擠壓而業(yè)績低迷的美國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內(nèi)，海外企業(yè)也很關(guān)注。以下為大見教授的專訪。
面對前所未有的大地震，我們東北大學(xué)能做的，就是開發(fā)新技術(shù)、振興產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)造利潤、造福日本的東北地區(qū)。如果能興起一個新產(chǎn)業(yè)，全球的優(yōu)秀人才和資本也會聚集而來。另外，如果把新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的利潤投入到新的技術(shù)開發(fā)中，還將有助于創(chuàng)造下一個新產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生良性循環(huán)。我認(rèn)為，太陽能電池產(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。現(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)，“太陽能電池發(fā)出的電力”，還遠(yuǎn)少于“用于制造太陽能電池消費(fèi)的能源”。可以說，使用太陽能電池不僅不能削減二氧化碳，而且還會增加二氧化碳。聽到這話，性急的人可能就會放棄對太陽能電池寄予的期待。不過我覺得沒有必要放棄希望。這是因?yàn)椋艺f的是“現(xiàn)在的技術(shù)水平”，可以通過技術(shù)革新解決這個問題。
太陽能電池成長為真正產(chǎn)業(yè)的兩大課題
太陽能電池是半導(dǎo)體的一種，為生產(chǎn)半導(dǎo)體而開發(fā)的新制造技術(shù)也能夠用于制造太陽能電池。總而言之，就是需要解決以下兩個課題。一是要開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(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”薄膜硅太陽能電池。如果能夠通過技術(shù)革新解決這兩大課題的話，便能夠生產(chǎn)并提供具有壓倒性低價、轉(zhuǎn)換效率較高的太陽能電池。
轉(zhuǎn)換效率 該數(shù)字表示射向太陽能電池的光能源中，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。如果能夠以低價大量生產(chǎn)并提供轉(zhuǎn)換效率較高的太陽能電池，就有可能在完全不使用化石燃料的情況下，滿足全球的電力需求。根據(jù)我的推算，如果能把太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率（從現(xiàn)在主流產(chǎn)品多晶硅型太陽能電池的15～18％）提高到30％，那么全球僅需設(shè)置面積為8萬平方公里（相當(dāng)于日本國土的22.2％）的太陽能電池，就能夠夢想成真。
如果使用我們目前正在開發(fā)的“多層構(gòu)造型”太陽能電池，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)量就能滿足需求。如果這種高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池得到普及，那么地球上的沙漠便可通過海水淡化而變成綠洲，電動汽車往來的大都會將變得既安靜又清潔。全球或許會因此而發(fā)生巨大變化。從提出構(gòu)想開始，到現(xiàn)在已經(jīng)過了30年。一路走來，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多家研究開發(fā)型企業(yè)參與，將迎來最后階段。
部件加工機(jī)械和主要技術(shù)都是獨(dú)自開發(fā)
除了太陽能電池之外，我們還積極開發(fā)了用于制造太陽能電池的半導(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)效率低且價格昂貴。例如，要建設(shè)一處45納米級LSI（大規(guī)模集成電路）設(shè)備，需要5000億～1萬億日元的龐大投資。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，依次把基板從一個反應(yīng)容器搬運(yùn)到另一個反應(yīng)容器，在基板表面形成層。制造太陽能電池也與之相同。原來每個反應(yīng)容器只能進(jìn)行1道工序的原因在于，如果無法使各種等離子氣體保持一定的種類和壓力狀態(tài)，便無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破損。
而且，由于會產(chǎn)生大量粉末狀反應(yīng)生成物，這些裝置被認(rèn)為“簡直就是制粉器”，必須多次花時間對反應(yīng)容器內(nèi)部進(jìn)行清理。此時就需要停止生產(chǎn)。另外，搬運(yùn)方面，直徑30厘米左右的硅基板倒還好說，如果是大型顯示器和太陽能電池的大型玻璃基板，就會非常麻煩。如果生產(chǎn)效率如此之低，太陽能電池的價格就會變得非常高，無法形成一個產(chǎn)業(yè)。必須使生產(chǎn)效率產(chǎn)生飛躍性提升。因此我開始致力于開發(fā)在1個反應(yīng)容器中，通過依次切換氣體種類和工序條件來進(jìn)行多道工序，可大幅減少基板搬運(yùn)次數(shù)的制造裝置。我們通過采用新方式，在一個反應(yīng)容器內(nèi)陸續(xù)切換氣體種類，并對不同薄膜進(jìn)行連續(xù)成膜及連續(xù)蝕刻。
另外，通過將反應(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)沒有形成反應(yīng)生成物，反應(yīng)生成物也不會完全吸附在反應(yīng)容器表面及排氣管道。這樣一來，半導(dǎo)體及太陽能電池的生產(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年的時間開發(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年理論知識確立之后，從成形到性能驗(yàn)證共花費(fèi)了4年的時間。
最近，加工一個螺旋槳只需15個小時。不久以后，10個小時以內(nèi)即可完成，加工時間縮短到這個程度之后，就可達(dá)到實(shí)用水平了。因此，開發(fā)此泵共花費(fèi)了22年的時間。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，一個反應(yīng)容器需要約100萬個吹氣孔，而基板尺寸為1.2米×1.65米的太陽能電池及2,88米×3.08米的大型顯示器分別需要3000萬個和12000萬個吹氣孔。因此，我們自主開發(fā)出了新型沖壓加工技術(shù)。這樣，工匠需要花費(fèi)半年到幾年時間的工序，我們幾個小時就可完成，今后很可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
研究人員的目標(biāo)并不是寫論文
“我是電子方面的研究人員，是門外漢”，如果如此畏手畏腳的話就毫無進(jìn)步可言。我們并不為了寫論文，而是以開發(fā)出的技術(shù)及裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)用化為絕對目標(biāo)而展開研究的。因?yàn)橛纱藶樯鐣l(fā)展做出貢獻(xiàn)是一直受社會培養(yǎng)的研究人員的責(zé)任。在開發(fā)新制造裝置的同時，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度微細(xì)化。當(dāng)微細(xì)化推進(jìn)到40納米以下時，銅布線中的電子的平均自由行程就會變得更細(xì)，因此會變得非常大，導(dǎo)致電流難以流過。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，人類尚未挖掘出硅結(jié)晶的全部性能。
因此，我們通過用所掌握的知識開發(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)的超短時間化”，以及“光掩膜制造的超短時間化和超低成本化”。未來的最終目的是將“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，與利用軟件來驅(qū)動英特爾現(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)萬倍之多的性能。
而且這樣一來還能夠降低耗電量。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，通過利用全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)。這對產(chǎn)業(yè)界的沖擊無法估量。如前所述，近來以日本東北大學(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)目展開了行動。整個裝置的系統(tǒng)由日本東北大學(xué)、東電電子來負(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)測和控制的企業(yè)等，就超過了30家。
參與開發(fā)的有大企業(yè)，也有銷售規(guī)模很小但擁有自主技術(shù)的中小企業(yè)。缺了哪一家，都無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這些企業(yè)聯(lián)起手來，為開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值所在的經(jīng)營者我認(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，能夠洞悉其價值所在，在世界上最快做出決斷，繼而加以充分利用的經(jīng)營者。
只要看到介紹新技術(shù)開發(fā)成果的發(fā)布資料，第二天韓國三星電子及全球最大的半導(dǎo)體代工廠商臺積電的董事長就會飛到現(xiàn)場，當(dāng)場拍板希望要多少臺。但日本企業(yè)既沒有這樣的速度，也沒有這樣的決策魄力。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性并敢于發(fā)起挑戰(zhàn)的經(jīng)營者。另外，企業(yè)之間的合作也大多因?yàn)榻?jīng)營者目光短淺而進(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。對于資源匱乏的日本來說，要想使1億2800萬人民過上并非只是溫飽的富足生活，只有“產(chǎn)業(yè)立國”這一條路。該項(xiàng)目不僅對東北這一個地區(qū)，對于整個日本都是巨大福音，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。
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