华为四重曝光工艺专利公开，国产5nm芯片有希望了？

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

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：

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。

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。

充满激情的新时代，

充满挑战的新疆域，

与踔厉奋发的引领者，

卓尔不群的企业家，

一起开拓，

一起体验，

一起感悟，

共同打造更真品质，

共同实现更高价值，

共同见证商业航天更大的跨越！

——《太空与网络》，观察，记录，传播，引领。