为什么即使推出新款Mate60Pro智能手机，也不会导致华为手机出货量大幅增长？
2023年9月5日，PCWatch发布了加拿大半导体研究公司Tech Insights对华为在中国推出的Mate60Pro智能手机中的麒麟9000s处理器的分析报告。报告发现，该处理器采用中国代工厂（半导体合同制造公司）中芯国际集成电路制造有限公司（SMIC）的7纳米工艺制造。
自2012年以来，华为的智能手机出货量稳步增长，并在2020年第二季度（Q2）瞬间超越三星，成为全球第一（图1）。然而，由于美国的制裁，华为在2020年9月14日之后从智能手机市场销声匿迹，因为它无法再从台积电引进先进的半导体。
图1各公司智能手机季度出货量（-2023年第二季度）
不过，这次华为把7nm处理器的生产外包给了中芯国际，而不是台积电，并在中国推出了搭载这种处理器的Mate60Pro智能手机。美国对中芯国际实施了严格的出口管制，禁止进口其最先进的EUV光刻设备，甚至在荷兰和日本的合作下，其上一代ArF浸润式光刻设备也被暂停进口。
那么，中芯国际是如何开发出7纳米半导体的呢？而且，有报道称，中芯国际已经开发了5纳米。那么，它又是如何开发的呢？
本文将讨论中芯国际如何开发7纳米和5纳米工艺，它意味着什么，以及将先进处理器的生产外包给中芯国际的华为能否重新崛起于智能手机市场。
中芯国际如何开发7纳米工艺
在半导体上形成精细图案需要最先进的曝光设备。由于曝光系统的分辨率与光的波长成正比，因此通过缩短曝光系统光源的波长实现了小型化（图2）。
图2半导体微型化、曝光系统和分辨率限制
具体来说，这些光源包括汞灯g线（436nm）和i线（365nm）、KrF准分子激光器（248nm）、ArF准分子激光器（193nm）以及寿命更长的ArF浸入式光源。一般来说，分辨率极限约为曝光波长的四分之一，而ArF浸透可形成38纳米的图案。
除了ArF浸透法，还有波长为13.5纳米的EUV曝光法（极紫外光刻：EUV lithography），该技术于1997年开始大力发展，并于2019年在台积电称为"7纳米+"的工艺上实现了全球首次量产。该公司已将其应用于所谓的'7nm+'工艺的量产。
然而，中芯国际并没有超紫外光刻设备。由于荷兰的ASML和日本的Nikon在2023年停止出口ArF浸没式光刻设备，中芯国际只有在停止进口之前引进的ArF浸没式光刻设备。中芯国际显然用该设备开发了7纳米，但是，究竟做了怎样的图案微细加工呢？
图3是欧洲联盟imec公布的逻辑半导体路线图，其中的N7（意为7纳米）的含义是，最小金属布线间距为40纳米。一般来说，布线间距的一半就是布线宽度，因此要实现N7，必须形成20nm的金属布线。然而，中芯国际所采用的ArF沉积工艺的分辨率极限为38nm，因此无法形成20nm的布线。
图3逻辑半导体路线图和imec公布的最细布线间距
中芯国际（SMIC）被认为通过使用ArF浸渍进行双图案化实现了20纳米互连。双图案化有多种方法，下文将介绍一种称为SADP（自对齐双图案化）的方法（图4）。
图4双图案化SADP（自对齐双图案化）
(1)在待实际加工的SiN薄膜上形成作为牺牲膜的无定形碳层(ACL)、作为干蚀刻ACL的掩膜的SiON薄膜、抗反射膜BARC和抗蚀图案(PR)。
(2)使用稀氧等离子体对抗蚀剂图案进行轻度干蚀刻，以细化抗蚀剂。此过程称为光刻胶细化或修剪。
(3)在干法蚀刻BARC与修整过的PR之后，再干法蚀刻SiON。然后用SiON作为掩膜，干法蚀刻ACL。
(iv)ACL图形化后，通过原子层沉积（ALD）形成薄膜。
(v)垂直干蚀刻ALD薄膜。然后，在ACL图案的侧壁上留下一层ALD薄膜。
(vi)湿法蚀刻ACL。然后，只保留ALD侧壁薄膜。
(vii)使用ALD侧壁薄膜作为掩膜对SiN进行干蚀刻。
(viii)最后，去除用作掩模的ALD薄膜，形成精细的SiN图形。
由此看来，中芯国际利用其拥有的ArF浸没曝光系统+SADP，通过形成20纳米级布线，开发出了N7半导体。
而根据imec路线图（图3），N5需要28nm的布线间距，这意味着实际布线宽度是28nm的一半，即14nm。这可以通过SAQP（自对齐四重图案化）形成，其中双图案化（SADP）重复两次（图5）。有关该工艺的详细说明从略。
图5重复两次SADP的自对齐四重图形化（SAQP）
此外，利用重复三次双图案化（SADP）的SAOP（自对准八倍图案化），也并非不可能形成布线间距为22nm（布线宽度为11nm）的N3。
由于中芯国际无法进口EUV光刻设备，因此将充分利用SADP、SAQP和使用ArF浸渍的SAOP来推进最先进的微型化技术。而这种方法可能使N7、N5甚至N3的开发成为可能。
那么，中芯国际在不使用EUV光刻技术的情况下成功开发出N7的意义何在呢？
中芯国际开发N7的意义
图6显示了逻辑半导体制造商和代工厂在小型化方面的进展。台积电和三星是目前世界上最先进的N3量产厂商。不过，我们认为这两家的3纳米不能给满意分，只能给一个有问题的三角标识。理由如下。
图6：尖端半导体制造商的微型化状况
台积电于2018年开始量产ArF沉积+SADP的N7；2019年，台积电推出全球首款使用EUV制作孔型的N7+等。次年，2020年开始量产同样采用EUV制作布线图案的N5；2021年推出N5的改进版N4，2022年12月底宣布量产N3。
然而，根据台湾媒体和其他渠道的报道，N3的良品率已经停滞在55%，而且，在新iPhone15中发现了发热问题，因此N3的前景显然不容乐观。因此，我们给它扣了一些分。
另一方面，在微型化方面与台积电不相上下的三星，从N7开始就被打上了疑问。原因在于三星的先进制程能力只有台积电的十分之一到二十分之一。这让人怀疑它能否称得上量产。
而英特尔的情况更糟。在2016年之前，英特尔一直在推动全球最先进的微型化进程。然而，它在2016年从14纳米转向10纳米小型化的尝试失败了，并在这种状态下停留了5年。一路走来，2020年，首席执行官鲍勃-斯旺表示，英特尔可能会停止生产，成为无晶圆厂公司。
随后，2021年，新任首席执行官帕特-格尔辛格上任，试图重建已经失控的小型化。结果，5年未上市的10纳米工艺现在已经可以量产，但是，首次使用EUV光刻设备的英特尔4纳米工艺却一直没有上市。
在此，笔者认为英特尔的10纳米相当于台积电的N7（ArF沉浸版），而"英特尔4"则相当于台积电的N7+（EUV版）。如果作者的观点是正确的，那么中芯国际成功开发出N7就意味着它在微型化方面赶上了英特尔。
为中芯国际点赞
美国对中芯国际实行严格的出口管制。但是，这仍然没有阻止中芯国际推进小型化的步伐。由此可以说，美国的出口管制很失败。
此外，回顾日本目前的情况，日本在2010年左右停止了40纳米级别的微型化。因此，日本正试图吸引台积电到熊本生产12-28纳米逻辑半导体。此外，与美国IBM有技术合作关系的Rapidus公司也在开发2纳米产品。从各方面来看，我认为，大规模生产是不可能的。
笔者要向中芯国际（SMIC）表示敬意，尽管受到了美国的制裁，但中芯国际还是自行开发出了7纳米工艺，而日本则处于没有其他国家帮助就无法将微型化推进到40纳米以上的可怜境地。
华为智能手机会卷土重来吗？
中芯国际自主开发了N7，还在开发N5。将先进半导体的生产外包给中芯国际，华为能否在智能手机市场重新崛起？
对此，笔者的答案是否定的。
你可能会问，既然中芯国际已经开发出了N7，为什么还要说"不"呢？理由如下。
笔者认为，问题在于中芯国际N7的产能和良品率。笔者曾写过"中芯国际开发了N7"，但从未认为"中芯国际量产了N7"。简而言之，这是因为如果不知道中芯国际N7的产能和良品率，就无法确定"中芯国际已经量产N7"。
虽然我们没有准确的信息，但我们可以想象，中芯国际的N7产能大约只有每月10,000到20,000片12英寸晶圆（这是一个非常高的估计）。而且，我猜测，N7的良品率远远达不到50%。顺便提一下，台积电的N7和N5月产量分别约为15万片，良品率超过80%。
假设中芯国际的N7月产能中有10,000个晶圆分配给华为用于智能手机的麒麟9000s处理器（这是一个相当大的分配量）。我们假设成品率为50%（虽然我认为还差得远）。芯片尺寸为107平方毫米的华为麒麟9000s智能手机处理器能生产多少？
计算表明，如果N7的良品率为50%，那么一个12英寸晶圆可以生产330个"麒麟9000"。以每月生产10000个晶圆计算，每月可生产330万个"麒麟9000"。如果这种情况持续六个月，则可生产1980万台，如果持续一年（我认为这不可能），则可生产3960万台。
JBpress10月8日微细加工专家汤之上隆
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