作者 | 馬超
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
據羊城晚報報道，近日中芯國際從荷蘭進口的一臺大型光刻機，順利通過深圳出口加工區場站兩道閘口進入廠區，中芯國際發表公告稱該光刻機並非此前盛傳的EUV光刻機，主要用於企業復工復產後的生產線擴容。
EUV主要用於7nm及以下製程的芯片製造，光刻機作為集成電路製造中最關鍵的設備，對芯片製作工藝有著決定性的影響，被譽為“超精密製造技術皇冠上的明珠”，根據之前中芯國際的公報，目前該公司最先進製程為第一代FinFET，製程14nm，目前已貢獻2019年第四季度1%營收。
據路透社報道稱，美國為限制華為，正考慮修改《外國直接產品規則》，要求使用美國芯片製造設備的外國公司，必須向美國申請許可，才可以向華為供貨。根據之前的美國規定，美國以外的企業，只要使用超過25%以上的美國技術，就要遵守美國相關法律，而現在這個比例或將降至10%。
也就是說中國的企業可能會在芯片方面受到更多的外界限制。在這個大背景下中芯國際進口這樣的光刻機對於我國來說可謂意義重大，這其中受益最大的肯定是華為與阿里這些有自主芯片設計能力的公司，他們在尋求芯片代工廠商時終於有了新的選項。下面筆者就從專業角度向大家解讀一下有關光刻機背後的門道。
芯片製造工藝的演進
而回顧半導體的製造，主要經歷瞭如此幾個階段。
MOS時代
20世紀50年代末貝爾實驗室研製出MOS管，也就是金屬-氧化物半導體場效應晶體管，在MOS管推出不久能夠量產晶體管的平面工藝誕生，通過氧化、光刻、等一系列的流程，可以製作出晶體管集成電路，也就是我們目前所說的芯片，不過當時還只能稱為集成電路時代原件密度比現在要低的多，不過這也成為了製造各種半導體器件與集成電路的基本工藝技術，也是光刻技術的原型。
FinFET
但是MOS管也並不盡善盡美，其製程存在著20nm的極限，不過在2000年加州大學伯克利分校的胡正明教授在發表了一篇文章《FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm》，在該論文提出了一種名為FinFET晶體管結構，中文譯名為“鰭式場效應晶體管”，顧名思義，這種晶體管結構形狀也就類似於魚鰭。
FinFET使得芯片製程突破了20nm的工藝關鍵節點，是推動當代工藝進一步縮小的關鍵技術。
GAAFET
（Gate-All-Around）由Imec（Interuniversity Microelectronics Centre）提出。GAA也就是橫向晶體管技術，也可以被稱為GAAFET。這項技術的特點是實現了柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸，而是利用線狀（可以理解為棍狀）或者平板狀、片狀等多個源極和漏極橫向垂直於柵極分佈後，實現MOSFET的基本結構和功能。這樣設計在很大程度上解決了柵極間距尺寸減小後帶來的各種問題，包括電容效應等，也可以突破目前7nm的製程極限，不過這項技術目前還沒有正式的商用。
而光刻技術恰恰是芯片製造中的關鍵，下面我們來聊一下光刻技術的相關內容。
EUV光刻技術
EUV（Extreme Ultra-violet）極紫外光刻，是目前最為先進的光刻技術，光源對製程工藝是決定性影響的，目前非EUV的光源還無法突破7nm的極限。
在一臺光刻機中激光器負責光源產生，首先是激光器發光，經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之後進入光掩膜臺。
而光刻機的分辨率原理圖如下，下圖中AB兩點的距離就是不同元件間的距離, 光刻機分辨率=k1*λ/NA：
隨著半導體工業節點的不斷提升，為提高分辨率指標，光刻激光波長也在不斷的縮小，從436nm、365nm的近紫外（NUV）激光進入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，現在DUV光刻機是應用最多的，光源是ArF（氟化氬），從45nm到7nm工藝都可以使用這種光刻機，但是到了7nm這個節點就是DUV的極限，所以英特爾、三星和臺積電都會在7nm這個節點引入極紫外光（EUV）光刻技術。
製程為何如此重要
前文中我們一直在強調一個概念就是芯片製程，這裡也再為大家科普一下製程的相關概念，在20世紀60年代，仙童半導體的Gordon Moore在《電子學》雜誌上，發表論文提出瞭如雷貫耳的摩爾定律，當價格不變時，集成電路上可以容納的元器件的數目，將每隔一年增加一倍，這其實就是指原件的密度會不斷增大，也就是原件之間的間隔距離不斷減少，而在芯片中不同原件的距離就是製程，所以摩爾定律也可以被稱為是製程定律。
CPU是做以0和1為基礎的邏輯運算的，其關鍵就是要判斷晶體管中的電位情況。當在Gate端做電壓供給，電流就會從Drain端到Source端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，通過這樣的表示1和0。
縮減元器件之間的距離之後，晶體管之間的電容也會更低，從而提升它們的開關頻率。那麼，由於晶體管在切換電子信號時的動態功率消耗與電容成正比，因此，它們才可以在速度更快的同時，做到更加省電。
另外，這些更小的晶體管只需要更低的導通電壓，而動態功耗又與電壓的平方成反比，這時能效也會隨之提升。以10nm製程的驍龍835為例， 在集成了超過30億個晶體管的情況下，體積比14nm驍龍820還要小35%，整體功耗降低了 40%，性能卻大漲27%。因此我們可以看到一款芯片最大的宣傳點就是他的製程。
但是正如前文所述我國芯片製造的水平還停留在14nm，比國際最高水平落後了一代。不過從中我們也可以看到，只有當我們掌握了14nm的製程技術，才能進程得到相關設備。這也從一個側面說明了自主創新的重要性。
國產芯片當自強
目前我國各大IT巨頭，尤其是華為和阿里都已經有了很強的芯片設計能力，比如阿里平頭哥半導體的MCU芯片平臺無劍100就已經開源；阿里達摩院的AI芯片含光800其算力相當於10顆GPU，含光800推理性能達到78563 IPS，能效比500 IPS/W，相比傳統GPU算力，性價比提升100%。
目前我國各大IT巨頭，尤其是阿里和華為都已經有了很強的芯片設計能力，比如阿里平頭哥半導體的MCU芯片平臺無劍100就已經開源；AI芯片含光800的算力相當於10顆GPU，推理性能達到78563 IPS，能效比500 IPS/W，相比傳統GPU算力，性價比提升100%。
而華為海思半導體的麒麟系列芯片以及昇騰系列AI芯片都達到了國際領先的水平，尤其是臺積電二代的7nm工藝製造的海思麒麟990芯片，更是用在華為多種型號的手機上，大有與高通的驍龍系列芯片分庭抗禮之勢。
不過正如本文所述我國在芯片製造上還存在著巨大的短板，而本次到來的光刻機雖非EUV，但是相信也會讓中芯國際14nm芯片的產能得到大幅提升，會是我國的在芯片製造方面的重要補充。沒有一個冬天不會過去，沒有一個春天不會到來，願疫情過後我國的芯片製造行業也能迎來春天。
作者簡介：馬超，CSDN博客專家、華為雲MVP，金融科技行業資深從業者，著名的國產操作系統及數據庫軟件的佈道者
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