彭博社:在近几年内,中国芯片会被卡死在7nm,并且数量越来越少

谈数码过千里 2025-02-08 16:10:51
前沿导读

据彭博社消息指出,中国华为公司在芯片上的表现看似很好,但是由于中国企业还没有突破EUV光刻机,所以现阶段中国的芯片被卡在了7nm节点。美国多次的制裁,成功阻止了中国企业获得EUV光刻机的机会,至少在2026年之前,中国企业的先进芯片将陷入老化的技术中。

突破先进芯片的机会

在不考虑EUV技术的前提下,只用DUV设备进行先进芯片的制造,多重曝光和自对准多重图案化技术是必要的前提。

在中国企业发展相关技术之前,美国的英特尔公司曾经在10nm节点,尝试采用自对准四重图案化技术(SAQP)来缩短晶体管的栅极间距,但最终还是失败了。

在技术上面,英特尔验证了采用该技术制造先进芯片的方案是可行的,但是在量产上面,由于英特尔无法进一步提升良品率,所以倒在了量产商用这一步。在失败之后,英特尔便全面转向了EUV技术,放弃了自对准四重图案化的DUV技术。

自对准四重图案化技术可以有效的缩短栅极间距,提高晶体管密度,但是也会导致高缺陷率和低产量这两个绕不开的问题。特别是在英特尔的第一代10nm工艺技术中,产量低到只有两个CPU核心的Cannon Lake CPU,连集成显卡都被禁用掉了。

英特尔原本计划在2016年发布最新的10nm芯片,结果采用了DUV设备和自对准四重图案化技术,导致英特尔走了一条非常错误的弯路,投入了大量资金和时间,最终宣告失败。一直到2019年,英特尔最新的10nm工艺才完成量产规模。

在制造工艺没有发展起来之前,芯片的特征尺寸、栅极间距、电流沟道的长度数值是一致的,但是随着制造工艺的不断发展,这个数值的统一性被打破,每个企业对于自家的工艺命名都不一样。

虽然英特尔的10nm工艺在逻辑命名上面是10nm,但是其晶体管的栅极间距为54nm,与台积电、三星的7nm工艺在栅极间距上相差不大。

并且三家制造工艺在晶体管密度上面,差距也是非常小:

英特尔10nm:晶体管密度约为100.8百万晶体管/平方毫米(MTr/mm²)台积电7nm:晶体管密度约为96.5百万晶体管/平方毫米(MTr/mm²)三星7nm:晶体管密度约为95.3百万晶体管/平方毫米(MTr/mm²)

在这三家当中,英特尔采用自对准四重图案化技术失败了,三星直接采用的EUV技术,只有台积电使用DUV设备和自对准四重图案化技术制造先进芯片成功了。

台积电第一代7nm工艺的成功,是其他相关企业无法复制的。

其一,台积电获得了来自于ASML、应用材料、泛林科技等厂商的顶级制造设备。例如2000i、2050i等光刻机型号,而且这些产品是针对于多重曝光和多重图案化技术专门设计过的。

其二,台积电拥有全球最好的材料供应商。并且通过改进光刻胶、掩膜版等材料质量、加强工艺过程中的监控和控制水平这些方法,使台积电能够更好地管理生产过程中的变异,从而提高良品率。

其三,台积电采用了虚拟制造技术。通过模拟和预测工艺窗口,优化工艺参数,进而减少在实际制造过程中会出现的低良率情况。

中国芯片的机会

国产芯片想要突破到更加先进的水平,思路最清晰的一条方案就是打造国产技术的EUV光刻机。EUV的极紫外光源主要采用的是激光等离子体(LPP)技术,中国需攻克高功率CO₂激光器、锡靶材等离子体生成等关键技术环节。

EUV光源需要高重复频率、高稳定性的CO₂激光器,功率通常达到数十千瓦级别。国内在高功率激光器领域已有一定积累,但如何实现长时间稳定运行、降低能量损耗,仍是亟待解决的问题。

锡靶材在激光轰击下生成等离子体,但锡滴的精确控制、靶材的利用率以及等离子体的稳定性都是技术难点。此外,锡靶材的残渣会污染光学系统,如何高效清理并维持光学元件的反射率(需达到90%以上)也是关键。

EUV光需要通过多层反射镜(Mo/Si多层膜)进行收集和传输,这对反射镜的表面精度和抗热变形能力提出了极高要求。国内在超光滑表面加工和多层膜沉积技术上仍需突破,这都是需要在各个环节进行分布式创新的。

并且还要考虑掩模板在光刻机曝光之后,能否在光刻胶上面正常的产生反应。以及对光刻胶显影定型后,进行的刻蚀工艺能否与国产EUV技术相匹配。

EUV掩模板采用反射式设计,需要在多层膜上刻蚀出纳米级图案。这对掩模板的材料均匀性、缺陷控制和抗辐射能力提出了极高要求。国内在掩模板制造领域起步较晚,需加快高精度掩模制造技术的研发。

EUV光刻胶需要具备高灵敏度、低线边缘粗糙度(LER)和高抗刻蚀性。目前,全球EUV光刻胶市场被日本JSR、信越化学等企业垄断,国内在光刻胶的分子设计和量产工艺上还需要加把劲。此外,光刻胶的显影定型过程也需要与EUV光源的特性相匹配,否则会导致图案失真或缺陷。

即使光刻胶与EUV光源匹配成功,后续刻蚀工艺的材料也是个问题。

刻蚀剂需要与光刻胶的化学性质兼容,否则会导致图案失真或晶圆表面污染。刻蚀后的清洗工艺需要彻底去除光刻胶残留和刻蚀副产物,同时避免对晶圆表面造成损伤。如果清洗剂与光刻胶不匹配,可能会导致晶圆表面缺陷,甚至大量报废。

以上都是建立在国产EUV光刻机上需要考虑的问题。

第二条路,就是当初英特尔失败的方案。基于DUV设备,通过多重曝光和自对准四重图案化技术(SAQP)强行突破先进工艺。

SAQP可以将DUV光刻机的图案密度提升4倍,理论上能够实现5nm级别的线宽和间距。虽然可以提升图案密度,但其实际分辨率仍受限于DUV光刻机的光学性能和工艺误差。5nm制程对图案的均匀性、边缘粗糙度(LER)要求极高,SAQP在这些方面存在先天性的劣势。

并且SAQP技术需要通过多次的刻蚀和气体沉积工艺打磨,每增加一个分离层,设备的套刻精度下降一次,光刻和刻蚀的成本增加一倍。这个成本价格是相当高的,一般的企业根本遭不住这么烧钱。

EDA软件可以通过OPC算法对掩模图形进行预失真处理,补偿光学效应,但是国内的EDA软件企业还未透露出有这方面的技术尝试。

DUV设备+自对准四重图案化技术(SAQP)是一条可行的技术路径,英特尔失败了,但是台积电成功了。不过其高昂的成本、复杂的工艺和良率问题使其难以成为5nm制程的主流解决方案。

中国芯片企业需要在短期内通过DUV+SAQP积累技术经验,同时加快EUV光刻机和替代技术的研发,才能真正实现高端制程的自主可控。

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