芯片制造难不难：1、3nm只是文字科技，3nm其实就是23纳米

随着5G、人工智能、云计算等技术的快速发展，芯片行业变得愈发重要，而作为半导体行业的“心脏”，晶体管尺寸成为各大晶圆厂竞相追逐的焦点。我们常听到的7nm、5nm、3nm等工艺节点究竟代表什么呢？今天我们就来深入浅出地介绍一下这些芯片工艺，让大家能够轻松了解这一高深的技术领域。

以前英特尔老老实实地标注栅机，结果被各种吐槽。瞧瞧现在，英特尔也不老实啦。按它的标准应该一直就是 14++……了。实际上呀，咱们都清楚英特尔曾经是想严谨命名的，它还想保留那最后的一点倔强。所以呢，intel 的 14nm 足足打磨了 5 年。为啥呀？因为它发现自己工艺的提升跟晶体管、栅极对应不上，所以就干脆不改变工艺节点。正因如此，才有了intel 的 14nm 能跟台积电、三星的 10nm 相媲美的情况，intel 的 7nm 能和台积电的 5nm 、三星的 3nm 一较高下。2022 年末，台积电弄出了 3nm 工艺，半年前三星也搞出来了。一般来说，就英特尔在 10nm 工艺之前的标注还算准，后来台积电和三星这俩家伙，标注就是为了好宣传好卖货。实际上，同等工艺下，Intel 还是最棒的。

这等效 3nm 可不是说线宽哟，FinFET 之后，用原来多少 nm 线宽来描述工艺就不合适啦。这里面还有 fin、gate 的尺寸，东西可多着呢！得先讲讲啥叫等效工艺大家才能明白。比如说，一开始栅极到 28nm 或者 14nm 就差不多到极限了，要是工艺和设计图不行，成品处理速度才 10M/s，改进之后速度变成 20M/s，（说法而已，不严谨） -就敢号称 10nm 芯片啦（其实大多数栅极还是 28nm 呢）！还有啊，整个芯片有亿级数量的晶体管，里面有几个 7nm 的，嘿嘿，就敢号称几 nm 啦！

在芯片制造的早期，工艺节点与晶体管的栅极长度（Gate Length）是直接对应的。例如，在150nm的时代，芯片工艺节点就是150nm，晶体管的栅极长度也是150nm。然而，随着技术的进步，这种简单的对应关系逐渐被打破了。

进入130nm工艺节点时，晶圆厂开始采用等效工艺的概念。所谓等效工艺，即工艺节点的命名并不再直接反映栅极长度，而是反映出晶体管密度和性能的提升。例如，28nm工艺节点的实际栅极长度可能是65nm左右，14nm工艺节点的实际栅极长度可能小于30nm。

3nm工艺背后的真相

近期，全球领先的光刻机制造商ASML在公布其EUV（极紫外光刻）光刻机路线图时，揭示了各大晶圆厂的实际工艺数据。ASML的数据显示，当前所谓的3nm工艺，实际的金属半节距（Metal Pitch）约为23nm，1nm工艺的金属半节距约为18nm。

那么，为什么3nm工艺节点的实际金属半节距会是23nm呢？

首先，我们需要了解金属半节距的概念。金属半节距是指相邻金属线之间的距离的一半，它是衡量芯片工艺精细程度的重要指标。传统的栅极长度（Gate Length）只反映了晶体管的一个维度，而金属半节距则涵盖了更多的细节，如晶体管之间的互连和整体布局。

其次，光刻技术是影响金属半节距的关键因素。目前的EUV光刻机采用13.5nm波长的光刻光源，根据光刻原理，光源波长必须小于要刻蚀的图形尺寸才能实现精确刻蚀。因此，当前EUV光刻机能够实现的最小图形尺寸约为13.5nm，而3nm工艺节点的实际金属半节距为23nm就变得可以理解了。

根据ASML的PPT，我们来复盘总结下关键数据：

N3（3nm工艺）实际对应的金属半节距为23nm。

N2（2nm工艺）实际对应的金属半节距为22nm。

A14（1.4nm工艺）实际对应的金属半节距为21nm。

A10（1nm工艺）实际对应的金属半节距为18nm。

A7（0.7nm工艺）实际对应的金属半节距为18-16nm。

A2（0.2nm工艺）实际对应的金属半节距为16-12nm。

尽管3nm、1nm等工艺节点并不代表实际的物理尺寸，但这些节点名称仍然具有重要意义。它们大致反映了晶体管的密度和性能水平，同时也是市场营销的重要工具。了解这一点后，我们可以更理性地看待各大厂商的宣传。

ASML的EUV光刻机：推动芯片工艺进步的关键

ASML是全球唯一一家能够生产EUV光刻机的公司。EUV光刻机的问世，使得7nm及以下节点的芯片制造成为可能。2023年底，ASML向英特尔交付了首套High NA EUV光刻机，其数值孔径（NA）从标准EUV光刻机的0.33提升至0.55。这一提升使得光刻机的分辨率从13nm提高到8nm，大大提升了制造精度和生产效率。

未来，High NA EUV光刻机将支持2nm芯片的量产，到2029年有望支持1nm芯片的量产。更为先进的Hyper-NA EUV光刻机也正在研发中，预计将进一步推动芯片工艺的进步。

虽然中国目前尚未掌握最先进的EUV光刻机技术，但依靠现有的DUV（深紫外光刻）光刻机，已经能够满足中低端芯片的市场需求。DUV光刻机的成熟应用，使得28nm及以上节点的芯片制造得以顺利进行。通过多重曝光技术可以造出等效工艺7nm的芯片。

通过以上介绍，我们了解到所谓的3nm、1nm工艺节点并不代表实际的物理尺寸，而是反映了晶体管密度和性能的提升。同时，ASML的EUV光刻机是实现这些先进工艺节点的关键设备。当然，制造自己的EUV光刻机是中国半导体行业的目标。尽管这一过程可能需要较长时间，但随着技术的不断积累和突破，我们有理由相信，中国在未来将具备自主研发和生产EUV光刻机的能力。

芯片的制造原理，3D动画看从砂子到芯片的完整过程

这是一块芯片，把它放大可以看到迷宫一样的线路，线路远远不止一层，每层都错综复杂。再放大就能看到晶体管，一块芯片里有260亿个这样的晶体管，最先进的芯片已经能装900亿个晶体管了。

芯片是怎么造出来的？

·先把石英砂制成多晶硅，加热让它熔化，再让它生长成纯度达到9个9的单晶硅。

·然后掐头去尾切割成硅片，再抛光打磨出镜面就造出了晶圆。12寸晶圆的直径是300毫米，跟一口锅差不多，能切出230个芯片来，但它的厚度只有0.75毫米，非常脆弱。

·加工的时候要用晶圆盒装起来，运到晶圆厂的各个机器里走流程，每次进出机器都需要机械手轻轻地拍拿放，整个过程没有工人接触，保持绝对的干净。

·加工前要先清洁晶圆，先用去离子水清洗，再用气体来干燥，然后放在高温下通入氧气，让晶圆表面形成一层二氧化硅保护层，这样制造芯片的材料就准备好了。

·接下来要用光把电路图刻到芯片表面，说是刻其实是把电路图复制到光刻胶上。先在晶圆中心滴上光刻胶，然后高速旋转，用离心力让光刻胶分布均匀，浅浅烘烤一下帮助光刻胶附着。

·重点来了，下面要把晶圆送进光刻机了，准备一张光掩膜，它是刻着电路图的玻璃遮光板，一张光掩膜就要30万美元，制造一块芯片需要80张不同的光掩膜，算算这得多少钱？这组透镜可以把光掩膜上的图案缩小4倍，再投射到芯片上，光的分辨率决定了芯片能做到多小，顶级的光刻机要2亿美元一台。

·然后用紫外光照射晶圆，光刻胶见光死，被照射到的胶很容易脱落，而没被照射到的留了下来，形成了跟光掩膜一样的电路图，就像盖章一样在晶圆上盖230个章，实际过程很快就形成了230个电路图。

·然后用去离子水和显影液一洗，让已经见光死的胶脱落，露出电路图，再烘烤一次，让晶圆上残留的光刻胶变硬。

·接着就照着电路图刻蚀出电路，把晶圆泡到溶剂里，没有光刻胶保护的地方会被腐蚀掉，严格控制溶剂成分和浸泡时间就能刻出指定深度的沟儿，跟光掩膜上的电路图一模一样。

·如果不刻蚀晶圆而是给它表面喷膜或者让它自己长出一层膜，那没有光刻胶保护的地方厚度就会增加，就好像用遮板来喷字一样。

·薄膜一共有3种：金属、绝缘体也就是氧化物还有硅的结晶层，每种都用不同的工艺来流积晶层。纯硅导电性差，往晶圆里注入金属离子才能实现电流和信号的传递，形成真正的电路。注入离子的时候会破坏晶格，注入之后要顺手修复。沉积和离子注入之前也要用光刻机刻画出电路图，这就是为什么光刻机如此重要。

·这只是完成了一层，而芯片一共有80层，重复上面的步骤80次，每次结束的时候都要清洗晶圆，这才能形成80层堆叠起来的导电或绝缘层，每一层都有设计好的线路图案。再坚持一下，快造好了。

·用电镜检查晶体管的结构，标记出有缺陷的部分，把晶圆切割成小方块，最后完成封装。

价格高达10万块的芯片就制作好了，100000RMB。

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