為什么說5nm是現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)整合了數(shù)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(chǎn)生0 1數(shù)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(xiàn)邏輯電路。

 

從現(xiàn)在來看，10nm工藝是能夠實現(xiàn)的，7nm也有了一定的技術支撐，而5nm則是現(xiàn)有半導體工藝的物理極限，那么芯片的發(fā)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(fā)展到頭了，而是硅芯片的發(fā)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?；鸨氖┯幸欢?lián)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(fā)射裝置。

 

有外媒報道的勞倫斯伯克利國家實驗室將現(xiàn)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(yè)化量產(chǎn)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(jīng)歷356nm(I-line)和248nm（KrF），到193nm（ArF）、EUV的過程；NA從0.35經(jīng)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(tǒng)設計加工及相關材料的開發(fā)、NA的繼續(xù)增加和K1的不斷減小正面臨著一系列的挑戰(zhàn)。例如：大NA光學系統(tǒng)將導致焦深的減少，造成工件臺和環(huán)境的控制更加苛刻，要求物鏡波面差更??；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(chǎn)生等離子體；一旦產(chǎn)生等離子體，電子便開始逃逸，從而發(fā)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(chǎn)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。