华为四重曝光工艺专利公开，国产5nm芯片有戏

来源：是说新语

国产芯片制造技术又迎来新突破？

近日，国家知识产权局公布了华为技术有限公司的多项新专利，其中一项专利号为CN117751427A，该专利涉及到“自对准四重图案化(Self Aligned Quadruple Patterning，简写为SAQP)半导体装置的制作方法以及半导体装置”，引起业界广泛关注。


华为自对准四重图案化半导体装置制作方法以及半导体装置专利（图源：国家知识产权局）

该专利被看作是多重曝光芯片制造工艺的又一重大突破，外媒纷纷猜测，通过这一技术，中国国产5nm芯片将得以实现。如此一来，中国先进芯片的制造将能够绕过美国的技术制裁，降低对ASML光刻机的依赖，实现技术自主。



彭博社报道称，华为测试用蛮力方法制造更先进的芯片，该方法或许能使用旧工具制造5nm芯片

英特尔都没搞定的四重曝光  被华为拿下？

根据国家知识产权局3月22日公布的信息，华为技术有限公司提交的这项自对准四重图案化工艺，可以分为七个步骤：

1、在待刻蚀层的表面依次形成第一抗反射层、第一牺牲层、第二抗反射层和第一图案化硬掩膜层；

2、对第一图案化硬掩膜层进行光刻形成第二图案化硬掩膜层；

3、基于第二图案化硬掩膜层为掩膜对第二抗反射层和第一牺牲层进行刻蚀，形成第二图案化牺牲层；

4、去除第二图案化硬掩膜层和第二抗反射层，并基于第二图案化牺牲层形成第三图案化硬掩膜层；

5、对第三图案化硬掩膜层进行光刻形成第四图案化硬掩膜层；

6、基于第四图案化硬掩膜层对第一抗反射层和待刻蚀层进行刻蚀，形成图案化的待刻蚀层。

7、去除第四图案化硬掩膜层和第一抗反射层。


华为公开专利中所展示的SAQP技术步骤（来源：国家知识产权局）

华为在专利中表示：“实施本申请实施例，可以提高电路图案设计的自由度。”

简单地说，多重曝光就是将芯片电路掩膜图案的蚀刻分成多次完成，可以使用相对落后的技术和设备，达成和更先进工艺类似甚至更先进的结果，比如用7nm设备造出5nm芯片。如此一来，我们就能够在没有ASML最先进的极紫外光刻设备（EUV）的情况下，生产先进芯片。

事实上，多重曝光并不是新概念，半导体巨头们都曾做过尝试，但它太过于复杂，需要执行的步骤更多，良品率和质量都难以保障。


双重曝光（左）和四重曝光（右）技术原理图示

举例来说，2016年，英特尔在探索10nm工艺的过程中，由于ASML的EUV一直未能交付，便尝试采用多重曝光技术，最后却以失败告终。因此，原计划中的Cannon Lake处理器项目最终被迫取消。尽管第二代产品成功实现了量产，但其性能表现并未达到预期要求，频率无法提升，甚至无法满足桌面台式机的使用需求。

另外，英特尔在推进其18A 1.8nm工艺的过程中，由于新一代高NA光刻机尚未到位，公司不得不采用现有设备结合双重曝光技术来实现工艺目标。

对于国内芯片行业来说，由于近年来美国对先进半导体制造设备的出口管制，国内企业不得不放弃对高端半导体制造设备的依赖（特别是ASML的EUV设备），另辟蹊径，通过多重曝光技术来实现7nm、5nm制程。

根据国家知识产权局公布的信息，华为这项专利早在2021年9月就申请了，正是华为被美国宣布制裁后的几个月。可见，对于高端芯片制造华为早已有了技术储备。如今，这项专利的公开，或许意味着这项技术已经取得实质性突破。

多重曝光成本虽高  但可解决燃眉之急

此前，麒麟9000S芯片问世，在国内引起了轰动，也迎来国际上的关注。国外机构TechInsights对麒麟9000S进行了电镜扫描，计算出了其晶体管密度为98MTr/mm²，也就是0.98亿个每平方毫米，该数据与台积电、三星的7nm芯片大致一致，因此业界猜测华为是采用双重曝光技术，实现了7nm芯片的制造。

此次华为公布的自对准四重图案化(SAQP)技术，意味着实现7nm量产后，其仍在快速推进5nm技术的研发，努力突破技术瓶颈，降低对国外先进制造设备的依赖，同时也为国产EUV争取了更多时间。

有知情人士向《金融时报》透露，华为会将全新5nm制程技术，应用于下一代P70系列旗舰手机的处理器和数据中心芯片，在没有外国的协助下成功生产5nm制程芯片，对于国产半导体行业来说无疑是一项巨大成就。

不过，研究机构TechInsights的Dan Hutcheson等专家也指出，尽管华为在自对准四重图案化技术上取得了显著进展，但如果中国想要获得超越5nm技术的长期竞争力，仅仅依赖这项技术是不够的。最终，中国仍需采购或自主研发EUV光刻机设备，以实现更先进的芯片制造能力。

另外，从成本方面考虑的话，台积电等制造商使用EUV，芯片产量更高，每个芯片的成本得到最小化，而华为如果采用多重曝光的方法，每颗芯片的成本可能会高于行业平均标准。

此外，在实际的工业生产中，由于每次曝光都可能存在图案的缺陷，而每次曝光都可能在上次曝光流程中积累并放大缺陷，多次曝光后缺陷或影响最后出厂产品的良品率。去年国外权威科技媒体对通过双重曝光实现的7nm工艺麒麟芯片分析后认为，制造良率可能在50%，而通过SAQP实现的5nm芯片，良率可能低至20%左右。

不过，对于华为而言，利用DUV实现7nm、5nm芯片的制造，已经解决了当前的燃眉之急，在这一基础上，国内芯片企业在未来一定能够继续取得更多突破，彻底打破国外技术封锁，一步步实现国产化替代。