為什么說5nm是現有芯片工藝的極限呢？

 

Source：源極 Gate：柵極 Drain：漏極

 

這個主要是由于現有芯片制造的原材料是“晶元”、或者說硅片，也就是硅，所以我們才說硅芯片。一塊看起來非常小的芯片，實際上已經整合了數以億計的晶體管，晶體管簡單而言可以看作是一個可控的電子開關，晶體管由源極、漏極和位于他們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流通斷的作用，從而產生0 1數字信號，在目前的芯片中，連接晶體管源極和漏極的是硅元素。

 

 

然而隨著晶體管尺寸的不斷縮小，源極和柵極間的溝道也在不斷縮短，當溝道縮短到一定程度的時候，量子隧穿效應就會變得極為容易，換言之，就算是沒有加電壓，源極和漏極都可以認為是互通的，那么晶體管就失去了本身開關的作用，因此也沒法實現邏輯電路。

 

從現在來看，10nm工藝是能夠實現的，7nm也有了一定的技術支撐，而5nm則是現有半導體工藝的物理極限，那么芯片的發展就此結束了嗎？

 

其實問題分析到這，大家也應該明白了，不是硅片發展到頭了，而是硅芯片的發展到了極限了，要突破這個極限的話，只能靠使用其它材料才代替硅了。
 

 

 

近年來，石墨烯被炒得很熱，它具有很強的導電性、可彎折、強度高，這些特性可以被應用于各個領域中，甚至具有改變未來世界的潛力，也有不少人把它當成是取代硅，成為未來的半導體材料。

 

 

 

碳納米管和近年來非常火爆的石墨烯有一定聯系，零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯都屬于碳納米材料家族，并且彼此之間滿足一定條件后可以在形式上轉化。碳納米管是一種具有特殊結構的一維材料，它的徑向尺寸可達到納米級，軸向尺寸為微米級，管的兩端一般都封口，因此它有很大的強度，同時巨大的長徑比有望使其制作成韌性極好的碳纖維。

 

碳納米管和石墨烯在電學和力學等方面有著相似的性質，有較好的導電性、力學性能和導熱性，這使碳納米管復合材料在超級電容器、太陽能電池、顯示器、生物檢測、燃料電池等方面有著良好的應用前景。此外，摻雜一些改性劑的碳納米管復合材料也受到人們的廣泛關注，例如在石墨烯/碳納米管復合電極上添加CdTe量子點制作光電開關、摻雜金屬顆粒制作場致發射裝置。

 

有外媒報道的勞倫斯伯克利國家實驗室將現有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，其晶體管就是由碳納米管摻雜二硫化鉬制作而成。不過這一技術成果僅僅處于實驗室技術突破的階段，目前還沒有商業化量產的能力。至于該項技術將來是否會成為主流商用技術，還有待時間檢驗。

 

再來說說光刻機分辨率的事要想做出更小制程的芯片，不僅要求材料能夠達到這個極限，光刻機的分辨率也是一個非常重要的指標。如果光刻機無法曝出這么細的線條，那么再好的技術也是白搭。

 

 

要想提高分辨率，可以從光源、孔徑NA和工藝三個方面來考慮。

 

 

光刻機分辨率：從1.0μm到7nm的演變過程、光源波長從436nm（G-line），經歷356nm(I-line)和248nm（KrF），到193nm（ArF）、EUV的過程；NA從0.35經歷了0.45、0.55、0.6、0.85；K1因子的變化由0.8～0.4等。然而，短波光學系統設計加工及相關材料的開發、NA的繼續增加和K1的不斷減小正面臨著一系列的挑戰。例如：大NA光學系統將導致焦深的減少，造成工件臺和環境的控制更加苛刻，要求物鏡波面差更小；較低的K1導致掩膜誤差因子的增大，造成復制圖形精度和保真度的下降。

 

 

EUV的基本工作原理：激光對準氙氣噴嘴。當激光擊中氙氣時，會使氙氣變熱并產生等離子體；一旦產生等離子體，電子便開始逃逸，從而發出特定波長的光；接著這種光進入聚光器，然后后者將光匯聚并照到掩膜上；通過在反射鏡的一些部分施加而其它部分不施加吸收體，在反射鏡上形成芯片一個平面的圖案的光學表示，這樣就產生了掩膜；掩膜上的圖案被反射到四到六個曲面反射鏡上，從而將圖像微縮，并將圖像聚投到硅晶圓上；每個反射鏡使光線稍微彎曲以形成晶圓上的圖像，這就像照相機中的透鏡將光彎曲以在膠片上形成圖像一樣。

 

 

整個工藝必須在真空中進行，因為這些光波長太短，甚至空氣都會將它們吸收。此外，EUV使用涂有多層鉬和硅的凹面和凸面鏡。如果沒有涂層，光在到達晶圓之前幾乎就會被完全吸收。

 

不過雖然原理簡單，但是這種光源設備和鏡頭目前中國還暫時沒有這類技術，目前唯一能做出EUV光刻機的只有荷蘭的ASML，中國還需要加油。