重磅！中芯國際或將于今年4月試產7nm芯片，爭取10月實現量產，7nm 制程工藝如何用DUV實現？

近日有媒體報道稱，中芯國際將在本月試產7nm芯片，并爭取在今年10月份實現量產。其次，中芯國際在14nm制程工藝良品率已追上臺積電，達到業(yè)界水平的90%-95%。

值得一提的是，此次中芯國際試產7nm芯片是計劃通過DUV工藝來試產。

7nm 制程工藝如何實現？

按常規(guī)經驗，一般將28nm芯片加工能力作為分界線——超過28nm屬于成熟工藝芯片，低于28nm則可歸為先進工藝芯片。先進工藝里面的14nm，中芯國際也已經實現了真正意義上的量產，并且已經獲得了穩(wěn)定的客戶源，算是在“先進工藝芯片站住了一只腳”。但在7nm芯片加工領域，當前的中芯國際依然只是取得了階段性成果。
基本算是獲得了初步加工能力，但仍未能完全實現大規(guī)模商品化，即處于“向大批量商業(yè)化生產沖擊階段”——按中芯國際CEO梁孟松的說法，在其帶領下已經攻克到了7nm技術，并準備今年4月份試產，順利的話在今年年底或明年初的時候可以批量生產。那么7nm 制程工藝到底該如何實現呢？首先我們看一下7nm 工藝制程的特征尺寸和工藝參數，找出其中最小的特征尺寸，比如 fin width 6nm, fin pitch 27/30nm，gate length 8/10nm，minimum metal pitch 36/40nm，gate pitch 54/57nm，我們需要考慮的問題就是如何通過光刻工藝來實現這些特征尺寸。7nm Node目前可以實現7nm 制程的只有臺積電和三星兩家，三星是從一開始就使用EUV光刻機來實現，而臺積電則是從DUV開始實現，然后再轉向EUV 。也就是說，目前7nm 制程工藝使用DUV 和 EUV 都是可以實現的，

臺積電的初代的7nm工藝，就完全由DUV光刻機實現。相對于臺積電的上一代主要工藝節(jié)點16nm，7nm可以提供3.3倍的電路密度。相同功耗，可以提供35·40%的性能提升。如果基于相同的性能做比較，功耗可降低65%，非?？捎^。 后來，臺積電基于初代7nm工藝，在生產步驟上進行了優(yōu)化，推出了一個改進版本。叫做7nm性能增強版（7nm Performance-enhanced version，n7p）， 性能有所提升，約7%。在引入EUV光刻機之后，首次應用在7nm的一些步驟的改進上。一些在DUV光刻機下需要多次曝光才能夠完成的圖形，由于EUV的引入，可以一次完成。這樣做的好處就是能夠減少多次曝光所引入的不可控的畸變，從而提升芯片的一致性和良率。引入EUV的7nm，被命名為N7plus。根據臺積電方面的數據，n7plus和初代n7工藝相比，電路密度提升1.2倍，相同功耗情況下，性能可提升10%。相同性能下，功耗可降低15%。這些就是臺積電DUV和EUV在7nm工藝的差異。
如何用134 nm的光源做成7nm芯片？

目前國際上已經實現7nm芯片生產的半導體廠商基本都是采用EUV光刻機來生產，但由于中國半導體企業(yè)缺乏這類先進的光刻機，因此中芯國際只能通過DUV光刻機來實現其量產7nm芯片的目標。

Q1中芯國際宣布和阿斯麥簽訂的批量采購協議，期限從原來的2018年1月1日至2020年12月31日延長至2021年12月31日，同時中芯國際在未來12個月內就購買生產晶圓的阿斯麥產品與后者簽訂買單，總計約12億美元。阿斯麥發(fā)布公告澄清稱，這份采購包主要與DUV（深紫外線）光刻技術的現有協議相關。

值得一提的是，阿斯麥DUV產品分為三種ArFi，ArF和KrF，如果中芯國際采購的是最先進的ArFi產品，則暗示中芯生產7nm芯片克服了最大一個障礙。ArFi產品也是阿斯麥20Q4賣得最好的產品。中芯國際Q1向阿斯麥訂的12億美元DUV產品是不是ArFi光刻機，還未得知。

那如何用DUV光刻機制造工藝尺寸更小的芯片？
假定是ArFi產品，如果要用134 nm的光源刻出更細的線條，這還需要更多的技術支持。
我們可以通過這個公式來大致看一下134nm的光源能刻出的工藝分辨率，其中：R，分辨率，比如90nm、65nm、45nm之類。λ，激光的波長，現在業(yè)界已經從248nm過渡到了現在最常用的134nm，還有更為先進的13.5nm。n，為介質折射率，空氣約1，水約1.44。NA，為數值孔徑，和鏡子大小，以及距離有關。k1，系統(tǒng)常數，代指掩膜等相關技術。
所以通過這個公式我們可以大致計算出，在一般情況下134nm波長的光源分辨率也就能做到40nm左右。那么接下來的問題就是如何突破這個所謂的“一般情況”了。對此業(yè)界大體有兩種解決辦法：浸潤式光刻和多重曝光。浸入式光刻技術是在2000年初首先由麻省理工學院林肯實驗室亞微米技術小組提出，他們認為在傳統(tǒng)光刻機的光學鏡頭與晶圓之間的介質可用水替代空氣，以縮短曝光光源波長和增大鏡頭的數值孔徑，從而提高分辨率。水與空氣的折射率之比為1.44:1如果用水替代空氣，相當于134nm波長縮短到93nm,如果采用比水介質反射率更高的其液體，可獲得比93nm更短的波長。簡單來說就是運用了惠更斯原理，讓光從一種介質折射進入另一種介質，那么在分界點相當于一個波源，向外發(fā)散子波。也就是說在這個過程中光的波長發(fā)生了改變，通過這種方式我們獲得了一個波長更小的光源。▲一種多重曝光的流程示意圖
另外一種技術就是多重曝光了，在圖中最上面是已經經過一次Patterning的保護層（綠色，如SiN）再加上一層光刻膠（藍色）。光刻膠在新的Mask下被刻出另一組凹槽（中間）。最后光刻膠層被去掉，留下可以進一步蝕刻的結構。

簡單來說就是將本應一次曝光的圖形分成兩次甚至更多次曝光來制作。比如要刻幾條等間距的線，單次曝光可能只能刻出間距100nm的線，那么這時候稍微再移動大概50nm再刻一次，這時候線與線的間距就變成50nm了。
當然除了浸潤式光刻和多重曝光，還有很多技術可以幫助進一步減小半導體制造工藝中的關鍵尺寸。但是比起用各種技術優(yōu)化，直接更換光源會有較大的提升，即從波長為134nm的DUV光刻機換成波長大致為13.5nm的EUV光刻機。
總結
就目前而言，能夠量產7nm以及7nm芯片的企業(yè)，只有臺積電和三星，即便是英特爾，也不能自主生產制造7nm芯片，可能要延遲到2022年。這意味著，一旦中芯在4月份成功風險試產7nm芯片，其就會成為全球第三家掌握7nm芯片制造技術的企業(yè)。
據了解，臺積電用DUV光刻機量產7nm芯片，采用的是多次曝光，至于中芯采用什么辦法試產7nm芯片，暫時還不得而知。但中芯已經規(guī)模量產了N+1工藝的芯片，用梁孟松的話說，N+1工藝的芯片，其邏輯面積與臺積電7nm芯片相當，僅僅是性能提升不足。
也就是說，中芯在7nm芯片制造上，可能會采用多次曝光，也可能會采用類似N+1工藝，準確消息只能等中芯對外公布了。
最后，雖然美國企業(yè)已經獲得了向中芯出售14nm以及14nm以上芯片所需要的設備、技術等，但7nm等更先進制程的芯片，則依舊受限。也就是說，即便是中芯在4月份成功試產7nm芯片，掌握了7nm芯片的制造技術，如果得不到相關設備、原材料等，中芯7nm芯片的產能也將是有限的。