方寸之困：纳米级芯片通关路

来源：脑极体

内有隐忧，外有威胁，仍然是困扰我国芯片产业的现实写照。

每当我国自研芯片的技术出现一些成果，就会看到一些网络媒体使用 " 突破欧美封锁 "、" 中国弯道超车 " 的报道出来。

近日，我国的中微半导体在两年前实现的 5nm 蚀刻机技术现在可以批量生产，并供货给台积电，成为 7nm 制程之后，唯一进入台积电 5nm 产线的大陆本土半导体设备厂商。不过在某些自媒体那里，却将这一蚀刻机技术当成了光刻机技术来宣传。这不仅看出人们对芯片技术的陌生，也能看出人们想要 " 造话题 " 的急功近利心态。

而另一则新闻则没有引起人们更多注意。4 月 27 日，据路透社的报道，美国商务部出台新规定，将要求美国公司向中国、俄罗斯等国出售集成电路、激光、雷达等某些物品必须获得许可，并且废除了某些美国技术及产品未经许可而出口的例外条款。

美国此举的目的是维护国家安全战略，防止中国通过民用商业等途径获取美国先进技术转为军用。显然，其实质仍然是通过扩大外贸限制，阻止那些采用了美国技术的其他国家的公司向中国输出这些先进技术和设备。

就芯片产业来说，引领当前最先进的 7nm、5nm 芯片工艺的 EUV 光刻机一直掌握在荷兰 ASML 公司手中，而我国大陆数家公司的购买订单都因为 " 种种原因 " 而未能引入，其中最主要的原因就是美国政府的阻挠。

现在美国推行的贸易限制将让我国进口这一设备的难度进一步加大，甚至于我们国内从使用这一设备的芯片生产厂商购买芯片，都可能受到影响。

客观来看，我们不仅没有在最先进工艺的芯片制造中实现 " 弯道超车 "，现在我们其实还处在 " 整体落后、局部赶上 " 的跟随阶段。

芯片自研之难，有复杂的大国博弈，有喧嚣的产业竞争，也有隐微的技术之困。本文我们主要从技术之困，来深入到半导体产业的方寸之地，看下当前的芯片的技术难点和下一步发展。

纳米级芯片是如何制造出来的？

1965 年，戈登摩尔提出：集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 至 24 个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。此后的半个世纪，摩尔定律有效地预测了半导体产业的发展。1971 年，Intel 发布了第一个中央处理器 4004，采用 10 微米工艺生产，仅包含 2300 多个晶体管。而如今的一个 7nm EUV 芯片晶体管多达 100 亿个。可以想见摩尔定律所揭示的增长魔力。

那么，如何在一个指甲盖大小的晶片上，放置数十亿到上百亿的晶体管呢？

这就需要整体上了解下 IC（集成电路）芯片的制造工艺了。IC 芯片的制造可以分为四个阶段，分别是设计、制作、封装和测试，制作又分为硅提纯、切割晶圆、光刻、蚀刻、重复、分层等步骤，其中以 IC 设计和光刻最为关键。

IC 设计是芯片制造的基础。IC 设计要先完成规格制定，以满足硬件的最终使用要求；然后要完成芯片细节的设计，也就是使用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来。在规格制定和芯片细节设计完成后，再画出平面的设计蓝图，以完成逻辑合成。最后，将合成完的程式码再放入另一套 EDA 工具，进行电路布局与绕线（Place And Route），形成一层层光罩，而最终由光罩叠起合成一枚芯片。

（完成电路布局与绕线的分层的光罩，一种颜色为一层光罩）

设计工作完成后，下一步就是芯片的制作。首先，芯片的制作需要一块平滑的基板，称之为 " 晶圆 "。晶圆是由氧化硅冶炼纯化以及拉晶后得到的单晶硅构成，硅晶圆柱再经过钻石刀的横向切割和抛光之后，才可以形成芯片制造所需的硅晶圆片。

然后，IC 芯片就像是用乐高积木盖房子一样，将设计好的电路在硅片基底上面一层。一层又一层的堆叠出来。这里就要使用到 " 光刻 " 的方法。

（IC 电路 3D 剖面图，蓝色为晶圆，红色和黄色为层叠的电路）

首先在硅晶圆片上涂一层光刻胶，然后放上掩模版，再用光束照射掩模版。经过一段时间的曝光，被照射的光刻胶区域发生变化，然后再用化学试剂刻蚀，就在硅片上留下了想要的图形。这个过程就称之为 " 光刻 "。

然后，是对硅片进行掺杂，也就是加入三族（硼）或者五族（磷）元素，形成相应的 P 型或者 N 型晶体管。硅片上面残留的光刻胶的部分就会阻挡掺杂元素进入下面的硅片，而对于那些光刻胶被刻蚀的区域，掺杂元素就会进入硅片，形成晶体管了。

（CPU 内部的层状结构，最下层为器件层，线宽最窄，即 MOSFET 晶体管）

整体上，一块圆形硅晶薄片穿梭在各种极端精密的加工设备之间，要经过昼夜无休地被连续加工两个月，进行热处理、光刻、刻蚀、清洗、沉积等成百上千道工序，在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路，最终集成了海量的微小电子器件，经切割、封装，成为现代电子设备当中最核心的硬件——芯片。

（编辑：核心网）

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