Episode1:

초고속・초정밀으로의 도전

Nikon

최첨단 기술로 반도체 노광 장치의 개발을 선도하는 주식회사 니콘. 이 회사는 2015년 봄, 세계 최초로 차세대 450mm 웨이퍼 대응 반도체 노광 장치를 개발, 제품화, ArF 액침 스캐너 "NSR-S650D '의 제 1 호기를 미국 SUNY Polytechnic Institute (써니공과 대학)의 Colleges of Nanoscale Science and Engineering (나노 스케일 과학 및 공학 대학)에 납입했다.
이 반도체 노광 장치에 탑재된 고정밀 A-TCU (Active Temperature Control Unit) = 액온자동 조절장치 (온도조절장치)= 를 개발한 것이 칸토세이키이다. 당사 프로젝트팀은 일찍이 없었던 온조기 기술 개발에 도전하고 성공함으로써, 니콘의 차세대 반도체 노광장치의 개발을 지원했다. 세계를 대표하는 톱 브랜드로 함께 걸었다. 프로젝트의 구체적인 내용은 다음과 같다.

ArF액침(液浸)스캐너「NSR-S650D」
제공:Nikon

시작은
300mm 웨이퍼 대응 반도체 노광 장치의 온도조절 장치개발

반도체 노광 장치는 최첨단 기술을 구사 한 그 정확성에서 「역사상 가장 정밀한 기계」라고 불리고 있다. 온도 조절 기술을 전문으로하는 우리에게도 반도체 노광 장치의 온도 조절 기술은 특별이며, 우리가 가진 초정밀 온도 조절 기술을 살릴 수있는 최고의 공간이라는 인식이 있었다.
기회는 2010년 4월, 니콘의 냉각기계 제조업체에 호소에 의해 방문했다. 300mm 웨이퍼 대응 반도체 노광 장치를위한 새로운 온도 조절 장치를 설계 및 제조하는 업체의 모집이다. 배경에는 300mm 웨이퍼 대응의 온조의 고정밀화에 따라 전문 기술을 가진 외부 기업의 협력이 필요하게 되었다는 니콘의 사정이 있었다.

당시의 반도체 노광장치용 온도 조절 장치는 우리는 미숙한 대용량 이었지만, 요구되는 정확도 수준은 이미 당사에서 제공하는 것이었다. 냉각 열매체로서 순수(純水)를 사용하지만, 이것도 우리는 이미 현재의 「퓨어 매틱」으로 제품화하고 있었다. 문제는 유사 제품을 다루는 경쟁사와 어떻게 차별화 할 것인가하는 점이었다. 그래서 우리가 취한 전략은 니콘측에서 세부 사양이 제시되기 전에 소형 시제품을 만들게 되었다. 당사가 제안하는 독자적인 액체 온도 제어 방식을 이해시키는 것이었다. 이것이 주효 해결책을 찾던 니콘은 우리의 제안을 평가, 채용을 결정한 것이었다.

니콘의 도전을 지원,
모든 것과 「현격한 차이」의 온조기 개발을 결정

이 300mm 대응 온조기의 시작 1 호기를 개발한 직후 인 2011년 11월 450mm 웨이퍼 대응 반도체 노광 장치용 온도 조절 장치 개발의 이야기가 부상했다. 디자인 공모전 참가 타진이다. 반도체 혁신의 역사는 미세화에 의한 고집적화와 실리콘 웨이퍼의 대구경화(大口径化)의 두 가지에 의해 새겨져왔다. 현재 웨이퍼의 주류는 구경 300mm하지만 차세대 450mm 웨이퍼 양산에 이행을 위한 개발 · 평가 프로젝트가 세계 각지에서 진행되고 있다. 이 450mm 웨이퍼에서 반도체 양산 실현의 열쇠를 쥐고 있는 것이, 반도체 노광 장치이다. 세계에서 몇 안되는 업체 간의 치열한 개발 경쟁이 진행되고 있었지만, 니콘에게는 절대로 질 수 없는 경쟁이었다. 그러나 300mm와 450mm는 장비의 양상도 성능 수준도 전혀 다르다. 당연히, 온조기도 300mm 대응의 것과는 차원이 달라, 완전히 "제로"에서 개발되는 것은 분명했다.

450mm 대응의 온조기 개발에 참여할지 여부 심판은 상품 개발실 주임 연구원에서 실장으로 바뀌었다. 스즈키 히데유키에 넘겨졌다. 스즈키는 당시를 회상하며 이렇게 말한다. 「터무니없는 이야기라는 인상이었습니다. 지금까지의 경험에서 보면 단연 현격한 차이 온조기기입니다. 우리의 신장을 넘는 개발된다고 생각했습니다.하지만 미래를 생각하면,이 개발에 도전에 큰 의미가 있습니다. 공작 기계 용 초정밀 가공, 미세 가공을위한 온조에서 축적 된 핵심 역량을 바탕으로 향후 당사의 기술 영역 제품 영역을 크게 넓힐 가능성에 염두를 두며 오랜 고민끝 도전하기로 결정했습니다. 물론 상사도 이 결정에 대해, 아무런 이견이 없었습니다.」

나노미터 위치제어에 필요한
초고속 · 초정밀 유체 온도 관리

반도체 노광 장치는 1 개의 IC 칩을 만들기 위해 몇 10 회 포토 마스크를 교환하면서 회로 패턴을 노광한다. 또한 웨이퍼를 실은 무대를 1 칩 분씩 이동이 노출을 반복한다. 300mm 웨이퍼 1 장에 1 평방 cm (10mm 각)의 칩이라면 600 개 이상 제작할 수 있으며 450mm되면 이것이 1400개 정도된다 ([그림 1] 참조).
스캐너의 처리 능력은 300mm 웨이퍼라면 1 시간에 200 장이 넘는 정도. 이것을 가능하게하는 것은 웨이퍼 스테이지의 연속적인 고속 이동 정지의 실현과 나노 미터 * (nm) 오더의 위치 제어 기술이지만, 가장 중요한 것은 기계적인 동작 부분의 극히 미세한 열변도 억제 초고속 · 초고정밀 액온제어기술인 것이다.

그러나 450mm 웨이퍼되면 스테이지의 크기와 무게는 300mm 두 배 이상. 짧은 거리라고 해도 고속으로 이동, 정지에 걸리는 순간 가속도 에너지는 현격하게 그 열전달에 의한 위치 결정 정밀도에 미치는 영향은 훨씬 커진다. 이것을 억제하는 온조기에 몇 배의 냉각 능력이 필요할 뿐만 아니라 정밀한 온도 제어의 실현은 전례없는 액온제어기술이 필요한 것은 확실했다.

* 나노미터 : 10억분의 1미터=100 만분의 1 밀리미터=0.000001mm. 지금 반도체의 미세회로는 14nm 기술에 도달하고 있지만, 이것은 인간의 머리카락 1개분의 폭 (약 80μm 정도)에 5,700개 이상의 선을 그릴 수 있다는 가늘기이다.

남에게는 불가능한 것이야말로
우리가 붙어보고 싶다

450mm 대응 반도체 노광 장치의 온도 조절 장치의 디자인 공모전은 이듬해 2012년 5월. 약 반년에서 전례없는 규모의 장비를 설계하고 시뮬레이션을 수행하고 제안을 마련해야한다. 개발의 리더가 된 스즈키는 이렇게 회고했다.
「기술적인 과제도 컸지 만, 문제는 인적 자원이었다. 현격한 차이의 개발을 지원할 엔지니어를 어떻게 갖출 것인가입니다. 이미 많은 엔지니어가 300mm 대응의 시제품 개발에 종사하고 있었습니다만, 겸임을 포함하여 사내에서 수집할 수 밖에 없다고 결정했습니다. 제조 부문 직원에 면접을 모은 결과 10명입니다. 충분하다고는 말하기 어려운 인원이지만 젊은 중심으로 모두 의지가 강한 멤버들이 모였습니다.」
이렇게 450mm 대응 온도 조절 장치의 시제품 개발을 시작했다. 이 온도 조절 장치는 웨이퍼 스테이지 주위의 다수의 발열 부분에 순수를 순환하여 최적 온도로한다. 다른 계통마다 각각 최적의 액체 온도 제어가 필요하지만, 우리는 이미 하나의 냉동기를 자유 자재로 조종해, 다 계통을 독립적으로 온도 제어를하는 「멀티 제어 시스템」이라는 기술을 확립하고 있으며, 이 노하우를 살릴 수 있었다. 액체 온도 제어의 정밀도는 100 분의 1℃. 수준으로 충분히 경험하고 있지만, 열량이 순간적으로 크게 변화하는 가운데 정밀도 달성은 처음이다. 이에 대응하기 위해 온 조기를 수학 모델링하고 이를 이용한 예측 제어를 채택했지만, 이론 값과 실제 값 맞게 코믹에는 큰 어려움이 따랐다. 이렇게 프로젝트 팀의 엔지니어들이 300mm 대응 반도체 노광 장치의 일을 겸임으로 해내면서 개발을 진행 니콘 측의 요구 조건에 맞게 방대한 데이터를 모아 갔던 것이다.

디자인 공모전이 오르자 스즈키는 이러한 팀의 성과에 서서히 반응을 느끼고 있었다. 「독자성이 있는 제안을 할 자신이 있었고, 요구된 성과를 달성하고, 또한 장치를 컴팩트하게 제조할 수 있을 전망도 서 왔습니다. 타사에 없는 우리의 강점은 냉동 사이클을 마음대로 하고 정밀하게 제어 할 수 있습니다. 또한 가장 주력한 것은 시뮬레이션의 사전 성능 분석했다. 열 흐름을 시뮬레이션하여 실제 물건을 만들면 이 성능이 나온다는 분석입니다. 우리의 설계 온도조절기가 발휘하는 성능을 근거 붙이는 것으로, 그 재판을 수백 번하고 온 조기의 사양을 확립해갔습니다. 」

디자인 공모전은 2012 년 5 월과 7 월 두 차례에 걸쳐 실시되며, 스즈키의 예상대로, 우리의 시뮬레이션은 니콘의 개발 부문에서 높은 평가가 전해졌다. 그 결과, 당사의 사양은 경쟁의 제안을 능가 온도 조절 장치의 수주 획득에 성공한 것이었다.
「주문은 팀 전원이 기뻐했습니다. 다른 부서에서도 사람들이 모여, 모두가 환호했다. 그런 것은 지금까지 없었던 것이 었습니다.」
라며 스즈키는 그 때 사내의 모습을 회고한다.

세계 최초의 반도체 노광장치의
「심장부」를 만든다는、사명감

냉동회로나 액체회로의 배관 등을 포함한 설계 작업은 3D CAD을 사용하여 철저하게 시뮬레이션을 거듭 신중하게 진행되었다.

수주가 결정되면 시제품 개발을 위해 프로젝트 팀을 15명 체제로 확대하고, 시제품에 대한 보다 구체적인 시뮬레이션에 들어갔다. 동시에 양산기의 디자인도 시작했다. 사실 니콘이 이렇게 빨리 시제품 개발하고자 오는 것은 상정하고 있지 않았기 때문에, 체제 만들기에 다시 고생이 있었다. 이 온도 조절 시제품은 니콘이 제작 450㎜ 대응 반도체 노광 장치의 시제품에 설치하는 것으로, 그 빠른 전개는 니콘 개발진의 남다른 각오가 느껴졌다.

시제품 개발시에는 니콘 개발진에서 전해진 메시지가 있었다. 그것은 「반도체 노광 장치를 인간의 몸이라면, 온 조기 심장이며, 귀사는 심장 외과 의사입니다.」 는 것이었다. 당사가 개발하는 온도 조절 장치가 반도체 노광 장치에 얼마나 중요한 것인가 단단히 프로젝트 멤버의 가슴을 울리는 메시지였다.

「시제품은 디자인 공모전 디자인을 거의 그대로 사용할 수 있었습니다. 그러나 설계에 채용한 기본이 되는 부품은 모두 전례없는 대용량의 것으로, 시뮬레이션 성능이 나오지 있어도 실제로 장치에 통합하면 사소한 오차가 설계상의 성능과 차이를 발생 마치 여러 번 길을 바꾸면서 높은 산 너머 시도 같은 일이 되었습니다. 300mm에서의 경험이 없었다면 불가능한 개발했을지도 모릅니다.」(스즈키실장)

큰 문제는 또 있었다. 프로토 타입 양산기의 생산 환경의 정비이다. 이미 300mm 대응으로 개발에 착수하는 시점에서 개발 거점을 에다 공장으로 옮겨 리노베이션 공사도하고 있었지만, 450mm 대응의 실제 제조되면, 더 넓은 공장 공간의 확보, 대용량의 전력 및 급수 등 대용량 인프라의 정비, 그리고 클린화 등이 필요했다. 이러한 정비 공사가 조기 정비를 요구하는 니콘 측의 목소리에 밀리면서, 시제품 개발과의 경쟁으로 진행됐다.
450mm 용 반도체 노광 장치의 온도 조절 장치 시제품 개발 프로젝트는 절정에 팀원 최대 33명이 투입됐다. 납기가 다가오는 가운데 최근 성능 평가를 젊은 엔지니어들의 분투로 극복 2013년 5월에 시제품이 무사히 니콘에 납입된 것이었다.

「브랜드를 지원하는 브랜드」로서의
큰 한 발을 내딛었다

시제품 납품부터 7개월 후인 2013년 12월 450㎜ 웨이퍼 양산에 대응하는 세계 최초의 반도체 노광 장치, ArF 액침 스캐너 「NSR-S650D」용 온도 조절 장치 1 호기가 관동 정기에서 배송 니콘에 납품되었다. 양산기의 디자인은 프로토 타입의 개발과 동시에 진행했기 때문에 쌍방에 종사하는 엔지니어들은 시간에 쫓기면서 최초의 온 조기을 형성하는 업무에 매진 한 것이었다. 특히 양산기는 실제로 사용되는 미국의 규격에 대응시킬 필요가 있으며, 설계는 시제품 개발 이상의 어려움이 따랐다. 그러나 1 호기 출하 후 1개월 정도의 시간차를두고 순차적으로 순조롭게 제품의 출하가 이루어지고, 그리고 2015 년 봄 처음에 있듯이 그 온조 기기 중 1대를 탑재한 「NSR-S650D」가 니콘에서 미국의 연구 기관에 납입된 것이었다.

세계의 반도체 노광 장치의 최첨단 「니콘」브랜드와 그 장치를 사용하는 사용자 모두를 우리가 멀리서 나마지지 할 수 있었다는 점에서 큰 걸음을 내딛었다라는 인식을 우리 스탭 전원이 공유할 수 있는 순간이었다.

니콘 쿠마(熊谷)제작소에서 출하되는 ArF 액침 스캐너 「NSR-S650D」
제공:Nikon

프로젝트를 돌아보며

니콘 프로젝트 (ArF 액침 스캐너 「NSR-S650D」에 온조기 개발 프로젝트)에
참여한 엔지니어의 의견.

  • Hideyuki
    Suzuki

    스즈키 히데유키

    프로젝트 리더 /
    상품 개발실 실장 · 공학 박사

    항상 니콘씨의 생각을 하고 있었습니다. 450mm에서 선수를 치고 싶은 이것은 (온조기)가 안되면 모든 것이 틀어져버리는 심장 인 것이다 라고 생각합니다. 그 중에서 개발을 달성 할 수 있었던 것은 젊은 성장이 있었기 때문. 그들은 훌륭하게 해내었던 것입니다. 회원은 직업이 아니라 동기를 보고 끌었다. 하고 싶어서 모인 멤버입니다. 그 성장에는 반대로 이쪽이 가르쳐 준이라는 생각이 듭니다.

  • Yuta
    Matsumura

    마츠무라 유타

    상품개발실

    300mm 대응에서 참여하고 주로 조립과 평가를 담당했습니다. 450mm의 긴 프로젝트에서 가장 어려운 부분이었던 것이 시제품의 성능 평가했습니다. 지금까지 경험 한 평가와는 전혀 다른데 시간은 이미 여유 없음. 어려운 몇 주를 어떻게든 극복했지만, 멤버 전원이 그런 경험을 하고 있었습니다. 프로젝트를 완료하고 기술적으로도 자신감이 있었고, 상황에 그다지 동요하지 않습니다.

  • Suguru
    Kojima

    코지마 스구르

    냉동기계사업부 SC과

    300mm 대응으로 시제품 개발에서 참가 주로 메카 디자인을 담당 했습니다. 300mm의 프로토 타입이 평가 단계에 들어간 곳에서 450mm로 옮겨 카노씨와 함께 양산기의 완성까지 참여했습니다. 니콘 씨와의 상호 작용에서 최고의 브랜드를 담당하는 것에 대한 진지한 자세와 책임을 배우고 또한 카노씨와 더불어, 함께 성장을 경험할 수 있었습니다.

  • Kyohei
    Kano

    카노 쿄헤이

    냉동기계사업부 SC과

    디자인 공모전을 위해 제조부에서 이동하여 프로젝트에 참가하고 높은 수준의 디자인을 가까이에서 보면서 메카 디자인에 도전했습니다. 팀으로 해내고 결속력을 발휘할 수 있었다고 생각합니다. 시제품 출하를 담당했습니다만, 보류 트랙이 반나절 후 그대로 돌아 왔습니다. 식은 땀이 났습니다. 반송시에 설치 고정끈을 지나치게 조으다 도착지를 지나쳐 버렸던 것입니다. '결속력'이 묘한 형태로 발휘되어 버린 것이 었습니다 (웃음).

  • Wataru
    Namiki

    나미키 와타루

    상품개발실

    2007년 4월에 입사해 스즈키 실장의 지시로 정해져 있던 배속과는 다른 프로젝트에 급히 참가하게 되었습니다. 열은 마치 모르고 열심히 공부할 수 반년 겨우 이야기에 참가할 수있는 수준이 되었습니다. 다음은 어느새 니콘 씨도 전기 설계 측면 등에서 직접 통신 할 수 있도록 되어있었습니다. 대학의 연구실 같은 분위기에서 고객에게 키워 받으면서 일을 하고 있던 것 같습니다.

  • Masaki
    Kanai

    카나이 마사키

    상품개발실

    현재 「퓨어 매틱」(수온 자동 조정 장치) 생산 라인의 리더에서 이동해서 처음 300mm로 성능 평가 후 450mm 대응 시제품의 평가를 담당했습니다. 매일 니콘 씨에게 진행 상황을 보고하는 것은 힘들었지만, 어떻게든 이 고급 온도 제어기술을 자신의 것으로하려고 노력하여 좋은 결과를 낼 수 있었다고 생각합니다.

칸토세이키 초대 상품개발실장 치기라 쥰지(千輝淳二)・공학박사(고인) 작품의 유화와 함께.
저희 제품은 공작 기계를 비롯한 「마더 머신」(어머니 기계)의 정확도와 속도 등
「성능」향상의 역할을 위해 존재하는,
우리의 시작 위치를 그리고있다.