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花厂P70五纳米芯片之谜?DUVi+多曝技术详解

作者吴梓豪

事先声明:本文主要针对技术做可能性分析,对于个别厂商个别机型不做爆料,如有雷

同纯属巧合

先直接说答案,使用浸没式光刻机(DUVi)+多重曝光

(Multi-patterning)作5nm芯片完全可行,不计代价甚至能做到

3nm,如果单以光刻(Litho)技术来说,拿28nm光刻机来作5nm

芯片理论上没问题,但是这需要许多条件的同时满足,更高的套刻

精度(Overlay)只是其中之一。

网络上许多专家大V提出28nm光刻机多曝也做不到7nm很显然是

错误的,这里面有许多定义问题,比如行业里并没有所谓28nm光

刻机,这只是为了给非业内的网民一个比较直观的说法而已,

28nm光刻机泛指的是ArFi也就是大家所说的浸没式光刻机,事实

上以目前的半导体技术28nm光刻机做7nm甚至5nm完全可行,

但这并非单单依靠多重曝光,还有许许多多的制程手段,比如早期

一点的PSM,模型OPC校正,Multi-patterning(LELE、SADP等),

overEtch,ILT反演光刻,甚至最新的DSA技术在不依赖更高分辨

率光刻的情况下也有机会生产5nm芯片,当然这么做需要高昂的代

价,正常Fab厂不会采用如此极端的手段来生产,目前所熟知的技

术都是经优胜劣汰筛选过最符合成本的制造方式,但不代表是唯一

技术可行路线,也就是说即便没有最先进的EUV光刻机利用国外进

口次一级设备在国内芯片工厂制造的”国产”5nm芯片正在来的路

上,很快就能跟大家见面。

大家都清楚西方对我国的EUV光刻机实施禁运,所以用什么样的制

造方式才能让DUV光刻机能”较好的”生产5nm芯片,这将是我

国半导体行业的重中之重,本文主要来谈谈这到底该怎么做?

芯片是怎样炼成的

IC的微缩,除了利用光学微影（OpticalLithography)也就是俗称

的光刻来缩小线宽以外,沉积(Deposition)、刻蚀(Etch)、扩散

(Diffusion)等也是核心制程,再加上缩小线宽以外的技术比如更复

杂立体的FinFET、Nanosheet结构也同样发挥至关重要的作用,毕

竟半导体节点(Nodes)早在十年前的14nm以下就是等效的概念,

而非传统意义的线宽。

想要搞清楚DUVi+Multi-patterning到底能否做到5nm这件事,

我们还是需要先厘清什么是5nm,衡量元件尺寸的关键指标之一为

「晶体管栅极长度」（Gatelength）,这个数字与IC速度直接相

关。以场效晶体管来说，栅极长度愈小，电流可以花更少时间通过晶

体管的漏极和源极,这就是为什么节点(线宽)越小,芯片性能越高

的理论依据。

图1：MOSFET场效晶体管平面结构示意图

如果要表示元件微缩的程度，另一个关键指标为周距（Pitch）,通

常以金属层线与线的周距为参考基准,Pitch做得愈小,线宽也愈

小,元件微缩程度愈高,但线宽并不能作为衡量晶体管密度的特征

参数,线宽虽然很小,如果间距很大,单位面积可以容纳的晶体

管数目依然很少,所以在行业内Pitch的概念比线宽来的更重要一

点。国内大部分媒体把Pitch翻译成间距,个人感觉不是那么准确,

因为间距应该是栅极跟栅极的距离,用周距来表示可能会好一点。

作者用最简单的示意图让大家可以清楚直观的看出什么是线宽与周

距。

图2：线宽/栅极长度、周距与半周距的关系

芯片制程节点的意义

90年代的0.35um以前,芯片的节点与半周距(Half-Pitch)与栅极

长度（Gatelength）均一致。Node突破点35之后,半周距与栅

极长度继续微缩但与节点已出现分歧,2005年进入65nm节点主要

是依靠ArF光刻机数值孔径(NA)从0.85到0.93的提升,再往下到

45nm就是ArFi浸没式光刻机的出现才使半周距继续下降,45nm

以后光刻机的分辨率一直停留在38nm(DUVi)止步不前,随着

PSM,LELE,SAMP一系列降低k1值的办法陆续出现,在光刻机不

变的情况下,工艺节点顺利推进到7nm,直到波长13.5nm的EUV