摩爾定律是指IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。然而事情的發(fā)展總歸會(huì)有一個(gè)權(quán)限，5nm則是硅芯片工藝的極限所在，事實(shí)上，隨著10nm、7nm芯片研發(fā)消息不斷報(bào)出，人們也開始擔(dān)心硅芯片極限的逐漸逼近，會(huì)不會(huì)意味著摩爾定律最終失效，進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)停滯不前。

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(gè)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(shí)際上已經(jīng)整合了數(shù)以億計(jì)的晶體管，晶體管簡單而言可以看作是一個(gè)可控的電子開關(guān)，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(hào)，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(dāng)溝道縮短到一定程度的時(shí)候，量子隧穿效應(yīng)就會(huì)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(rèn)為是互通的，那么晶體管就失去了本身開關(guān)的作用，因此也沒法實(shí)現(xiàn)邏輯電路。

從現(xiàn)在來看，10nm工藝是能夠?qū)崿F(xiàn)的，7nm也有了一定的技術(shù)支撐，而5nm則是現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的物理極限，那么芯片的發(fā)展就此結(jié)束了嗎?

其實(shí)問題分析到這，大家也應(yīng)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(gè)極限的話，只能靠使用其它材料才代替硅了。

石墨烯

近年來，石墨烯被炒得很熱，它具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性、可彎折、強(qiáng)度高，這些特性可以被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，甚至具有改變未來世界的潛力，也有不少人把它當(dāng)成是取代硅，成為未來的半導(dǎo)體材料。

碳納米管

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(zhuǎn)化。碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維材料，它的徑向尺寸可達(dá)到納米級(jí)，軸向尺寸為微米級(jí)，管的兩端一般都封口，因此它有很大的強(qiáng)度，同時(shí)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(xué)和力學(xué)等方面有著相似的性質(zhì)，有較好的導(dǎo)電性、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性，這使碳納米管復(fù)合材料在超級(jí)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(yīng)用前景。此外，摻雜一些改性劑的碳納米管復(fù)合材料也受到人們的廣泛關(guān)注，例如在石墨烯/碳納米管復(fù)合電極上添加CdTe量子點(diǎn)制作光電開關(guān)、摻雜金屬顆粒制作場致發(fā)射裝置。

有外媒報(bào)道的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)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(shù)成果僅僅處于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)突破的階段，目前還沒有商業(yè)化量產(chǎn)的能力。至于該項(xiàng)技術(shù)將來是否會(huì)成為主流商用技術(shù)，還有待時(shí)間檢驗(yàn)。

再來說說光刻機(jī)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(dá)到這個(gè)極限，光刻機(jī)的分辨率也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。如果光刻機(jī)無法曝出這么細(xì)的線條，那么再好的技術(shù)也是白搭。

要想提高分辨率，可以從光源、孔徑NA和工藝三個(gè)方面來考慮。

光刻機(jī)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工及相關(guān)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(xué)系統(tǒng)將導(dǎo)致焦深的減少，造成工件臺(tái)和環(huán)境的控制更加苛刻，要求物鏡波面差更小;較低的K1導(dǎo)致掩膜誤差因子的增大，造成復(fù)制圖形精度和保真度的下降。

EUV的基本工作原理：激光對(duì)準(zhǔn)氙氣噴嘴。當(dāng)激光擊中氙氣時(shí)，會(huì)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(jìn)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(gè)平面的圖案的光學(xué)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(gè)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(gè)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(jī)中的透鏡將光彎曲以在膠片上形成圖像一樣。

整個(gè)工藝必須在真空中進(jìn)行，因?yàn)檫@些光波長太短，甚至空氣都會(huì)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(dá)晶圓之前幾乎就會(huì)被完全吸收。

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

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