華為四重曝光工藝專利公開，國產5nm芯片有希望了？

國產芯片制造技術又迎來新突破？
近日，國家知識產權局公布了華為技術有限公司的多項新專利，其中一項專利號為CN117751427A，該專利涉及到“自對準四重圖案化(Self Aligned Quadruple Patterning，簡寫為SAQP)半導體裝置的制作方法以及半導體裝置”，引起業界廣泛關注。
華為自對準四重圖案化半導體裝置制作方法以及半導體裝置專利（圖源：國家知識產權局）
該專利被看作是多重曝光芯片制造工藝的又一重大突破，外媒紛紛猜測，通過這一技術，中國國產5nm芯片將得以實現。如此一來，中國先進芯片的制造將能夠繞過美國的技術制裁，降低對ASML光刻機的依賴，實現技術自主。
彭博社報道稱，華為測試用蠻力方法制造更先進的芯片，該方法或許能使用舊工具制造5nm芯片
英特爾都沒搞定的四重曝光被華為拿下？

根據國家知識產權局3月22日公布的信息，華為技術有限公司提交的這項自對準四重圖案化工藝，可以分為七個步驟：
1、在待刻蝕層的表面依次形成第一抗反射層、第一犧牲層、第二抗反射層和第一圖案化硬掩膜層；2、對第一圖案化硬掩膜層進行光刻形成第二圖案化硬掩膜層；3、基于第二圖案化硬掩膜層為掩膜對第二抗反射層和第一犧牲層進行刻蝕，形成第二圖案化犧牲層；4、去除第二圖案化硬掩膜層和第二抗反射層，并基于第二圖案化犧牲層形成第三圖案化硬掩膜層；5、對第三圖案化硬掩膜層進行光刻形成第四圖案化硬掩膜層；6、基于第四圖案化硬掩膜層對第一抗反射層和待刻蝕層進行刻蝕，形成圖案化的待刻蝕層。7、去除第四圖案化硬掩膜層和第一抗反射層。
華為公開專利中所展示的SAQP技術步驟（來源：國家知識產權局）
華為在專利中表示：“實施本申請實施例，可以提高電路圖案設計的自由度。”
簡單地說，多重曝光就是將芯片電路掩膜圖案的蝕刻分成多次完成，可以使用相對落后的技術和設備，達成和更先進工藝類似甚至更先進的結果，比如用7nm設備造出5nm芯片。如此一來，我們就能夠在沒有ASML最先進的極紫外光刻設備（EUV）的情況下，生產先進芯片。
事實上，多重曝光并不是新概念，半導體巨頭們都曾做過嘗試，但它太過于復雜，需要執行的步驟更多，良品率和質量都難以保障。
雙重曝光（左）和四重曝光（右）技術原理圖示
舉例來說，2016年，英特爾在探索10nm工藝的過程中，由于ASML的EUV一直未能交付，便嘗試采用多重曝光技術，最后卻以失敗告終。因此，原計劃中的Cannon Lake處理器項目最終被迫取消。盡管第二代產品成功實現了量產，但其性能表現并未達到預期要求，頻率無法提升，甚至無法滿足桌面臺式機的使用需求。
另外，英特爾在推進其18A 1.8nm工藝的過程中，由于新一代高NA光刻機尚未到位，公司不得不采用現有設備結合雙重曝光技術來實現工藝目標。
對于國內芯片行業來說，由于近年來美國對先進半導體制造設備的出口管制，國內企業不得不放棄對高端半導體制造設備的依賴（特別是ASML的EUV設備），另辟蹊徑，通過多重曝光技術來實現7nm、5nm制程。
根據國家知識產權局公布的信息，華為這項專利早在2021年9月就申請了，正是華為被美國宣布制裁后的幾個月?？梢?，對于高端芯片制造華為早已有了技術儲備。如今，這項專利的公開，或許意味著這項技術已經取得實質性突破。
多重曝光成本雖高但可解決燃眉之急
此前，麒麟9000S芯片問世，在國內引起了轟動，也迎來國際上的關注。國外機構TechInsights對麒麟9000S進行了電鏡掃描，計算出了其晶體管密度為98MTr/mm2，也就是0.98億個每平方毫米，該數據與臺積電、三星的7nm芯片大致一致，因此業界猜測華為是采用雙重曝光技術，實現了7nm芯片的制造。
此次華為公布的自對準四重圖案化(SAQP)技術，意味著實現7nm量產后，其仍在快速推進5nm技術的研發，努力突破技術瓶頸，降低對國外先進制造設備的依賴，同時也為國產EUV爭取了更多時間。
有知情人士向《金融時報》透露，華為會將全新5nm制程技術，應用于下一代P70系列旗艦手機的處理器和數據中心芯片，在沒有外國的協助下成功生產5nm制程芯片，對于國產半導體行業來說無疑是一項巨大成就。
不過，研究機構TechInsights的Dan Hutcheson等專家也指出，盡管華為在自對準四重圖案化技術上取得了顯著進展，但如果中國想要獲得超越5nm技術的長期競爭力，僅僅依賴這項技術是不夠的。最終，中國仍需采購或自主研發EUV光刻機設備，以實現更先進的芯片制造能力。
另外，從成本方面考慮的話，臺積電等制造商使用EUV，芯片產量更高，每個芯片的成本得到最小化，而華為如果采用多重曝光的方法，每顆芯片的成本可能會高于行業平均標準。
此外，在實際的工業生產中，由于每次曝光都可能存在圖案的缺陷，而每次曝光都可能在上次曝光流程中積累并放大缺陷，多次曝光后缺陷或影響最后出廠產品的良品率。去年國外權威科技媒體對通過雙重曝光實現的7nm工藝麒麟芯片分析后認為，制造良率可能在50%，而通過SAQP實現的5nm芯片，良率可能低至20%左右。
不過，對于華為而言，利用DUV實現7nm、5nm芯片的制造，已經解決了當前的燃眉之急，在這一基礎上，國內芯片企業在未來一定能夠繼續取得更多突破，徹底打破國外技術封鎖，一步步實現國產化替代。

來源： EDA365電子論壇

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