2nm以下先進半導體將帶來什麼樣的製造環境？ 產業技術綜合研究所 先進半導體研究中心 中心主任 昌原明植訪談

先進半導體研究中心的定位是要發展出2nm製程節點以下的試驗產線，並將之提供給產業界及學術界，成立的目的即是為了架構該項基礎。昌原先生過去擔任產綜研元件技術研究部門主管，於2023年10月1日就任先進半導體研究中心主任。

回顧中心成立的經過，是從2022年8月Rapidus公司成立之前就已開始討論。目前日本的現況是，半導體產品只侷限在汽車產業的應用用途，不如過去在電視、錄影機等產品上有相當大量的需求。在半導體領域，日本的製造設備廠商及材料製造商在世界上擁有堅強的實力，海外營收占比很高。也因此有人擔心再這樣下去，製造技術可能會隨著流失到海外。面對這樣的問題，日本東京威力科創、SCREEN、佳能和產綜研共同推動一項計畫，希望在產綜研的超潔淨室中打造出試驗產線，以試作尖端3D結構邏輯元件。

這間超潔淨室以往是由產綜研的筑波創新據點（TIA）推動中心管理，此次則由產綜研元件技術研究部門商請該單位提供使用。這次所成立的先進半導體研究中心，負責超潔淨室運作和運用超潔淨室進行的研發作業，並主導在超潔淨室內建構試驗產線，用於試作具有2nm以下製程節點的元件。

Rapidus公司目前專注於2nm製程量產，往後發展則會朝向2nm以下（beyond 2nm）半導體元件的研發，為此就誕生了技術研究組合尖端半導體科技中心（LSTC）這個單位負責推動研發。Rapidus公司是LTSC的其中一員，LSTC的成立宗旨為制定2nm以下尖端半導體設計、製造所必要的研發主題，並創造新的使用案例。

LSTC不僅是設計元件，也包括材料開發、設備及元件技術開發。產綜研的元件技術研究部門不僅參與LSTC，昌原先生也兼任LSTC技術管理本部長。也就是說，產綜研的先進半導體研究中心也具有LSTC實戰部隊的作用。

先進半導體研究中心肩負的職責為，在Rapidus公司量產2nm以下元件之前，要先試作元件，全面找出各種問題並加以篩選，之後再將元件轉移給正在建造量產線的Rapidus公司。

為了訓練生成式AI等大規模軟體學習，需要相當龐大的運算能力，因此需要超高性能的半導體。此外，物聯網感測器及汽車ECU中也會使用AI，並且需要AI處理。

「這邊舉兩個使用案例說明：一個是使用機器人進行遠端實際工作，是在遠端操控在工廠、辦公室等現場作業的機器人。重要的是，不僅要在機器人的眼睛位置安裝攝影機，其他部位也需具備攝影機，以便及時將自由視角所拍攝的影像輸出。這項技術並不簡單，卻可以應用來補足少子化和高齡化所導致的勞動力不足；另一個，則是處理物聯網感測器資料的AI晶片。例如，這類晶片可能具備處理預測土石流等多模態感測（同時間感測各種狀態）能力，可用於預防自然災害。」昌原先生如此說明。

「當談到未來的2D通道時，應該會產生新的設備。在新設備中，監控技術變得更為重要。必須一邊監控氣體的流動，同時以低延遲而精準的時間快速切換氣體。另外，製造設備本身也必須減少對環境的負擔。」

先進半導體研究中心也有半導體製程綠色化和脫碳化的計畫。如此一來，「將需要制定與環境和工廠相關的新指標。關於新的環境指標，製造先進半導體的台積電和英特爾等公司應該會提供意見，日方也必須提出新指標的方案。以往的指標是相對於工廠整體所使用的能源，總共排放了多少二氧化碳，但今後，我認為必須針對每一台設備訂立個別的指標。我們計畫利用超潔淨室和微型晶圓廠（minimal fab）來推進。」昌原先生如此表示。

「台積電在產綜研當中擁有3D IC研發中心的無塵室，而封裝技術將會如何改變？這邊所說的封裝與傳統的後段製程不同，是將連接小晶片的配線精細化並使用玻璃基板等材料製造，比較接近前段製程。產綜研同時參與推動小晶片標準化的組織UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express），並與英特爾和台積電等經營決策快速的海外企業保持關係，努力跟上腳步。

在產綜研，開始製作從20/28nm到40nm、65nm、90nm等各式各樣的小晶片並使之可以組合。只要事先準備好記憶體和CPU，日本企業只需要開發AI加速器，就可以快速做出系統單晶片（SoC）。昌原先生表示：針對這種小晶片型客製化SoC設計基礎技術，「希望能由產綜研來提案」，言談間充滿積極與熱情。

在國際合作方面，以Rapidus公司為起點，已經起步。昌原先生期許：「目前正在學習日本沒有的技術，同時也希望將日本特有的技術輸出至海外」。不過，在國際合作上，也會遇到諸如智慧財產權之處理等國立研究所會遇到的問題，雖然有其困難點，但該單位也在VLSI Symposium等國際會議上與海外研究人員進行了民間的互動交流，展現了其積極推動合作關係的姿態。