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近年来，芯片制造工艺的进步速度逐渐放缓，适用了20余年的摩尔定律在新时代下也有逐渐失灵的迹象，从芯片的制造来看，7nm就是硅材料芯片的物理极限。不过据外媒报道，美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。那么，XXnm制造工艺是什么意思，为何说7nm就是硅材料芯片的物理极限，碳纳米管复合材料又是怎么一回事呢？XXnm制造工艺是什么意思芯片的制造工艺常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工艺。现在的CPU内集成了以亿为单位的晶体管，这种晶体管由源极、漏极和位于他们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流通断的作用。而所谓的XXnm其实指的是CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度，也被称为栅长。栅长越短，则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管——Intel曾经宣称将栅长从nm减小到90nm时，晶体管所占得面积将减小一半；在芯片晶体管集成度相当的情况下，使用更先进的制造工艺，芯片的面积和功耗就越小，成本也越低。之前说了要想在面积有限的硅片上集成更多的晶体管，就要想法设法降低栅长，那么栅长又是由哪些因素决定的呢？还是先从芯片是如何被制造出来的说起。CPU制造流程要制造CPU，第一步是制造晶圆（将晶圆切成小片后即可得到晶片），对于晶圆制造笔者在《铁流：台积电申请赴大陆设厂意欲何为》一文中已有介绍，本文不再复述。在得到晶圆后，要制造CPU，还要进行以下步骤：一是湿洗。用各种化学药剂清洗晶圆，确保晶圆表面没有杂质。二是光刻。使用光刻机将激光光束穿透画着线路图的掩膜，经物镜补偿各种光学误差，将电路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅晶片上的电路图。光刻示意图。最上方的是掩膜，中间的是物镜，用来补偿各种光学误差，最后将电路图成比例缩小后映射到硅片上。三是离子注入。在硅晶片不同的位置嵌入不同的物质，进而形成晶体管。四是蚀刻。使用刻蚀机将晶片上多余的部分去掉，得到所想要的结构。五是等离子冲洗。用较弱的等离子束轰击整个芯片，达到清洁的效果。六是热处理。瞬间把晶圆加热到摄氏度以上，然后慢慢地冷却下来，使得注入的离子能更好地被启动以及热氧化，并在晶片中形成场效应管的栅极。七是气相淀积。通过物理、化学气相淀积设备进一步精细处理晶片表面，并给晶片镀膜。八是电镀、化学、机械表面处理。在完成上述光刻、刻蚀等步骤后，还需要完成封装和测试工作。用后道光刻机等制造设备给晶片装个壳，将之前加工好的晶片和基片、散热片堆叠在一起，最终形成我们日常见到的四四方方、带针脚和商标的CPU。测试可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如将一堆芯片分门别类为：i、i、i、iK等，之后英特尔就可以根据不同的等级，开出不同的售价。如果芯片产量足够大的话，测试成本在CPU总成本的占比可以忽略不计。回到栅长这个话题，栅长可以分为光刻栅长和实际栅长，光刻栅长则是由光刻技术所决定的。由于在光刻中光存在衍射现象以及芯片制造中还要经历离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤，因此会导致光刻栅长和实际栅长不一致的情况。另外，同样的制程工艺下，实际栅长也会不一样，比如虽然三星也推出了14nm制程工艺的芯片，但其芯片的实际栅长和Intel的14nm制程芯片的实际栅长依然有一定差距。劳伦斯伯克利国家实验室突破7nm物理极限是怎么回事之前解释了缩短晶体管栅极的长度可以使CPU集成更多的晶体管或者有效减少晶体管的面积和功耗，并削减CPU的硅片成本。正是因此，CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管栅极宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。不过这种做法也会使电子移动的距离缩短，容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动，也就是漏电。而且随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电子，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。为了解决漏电问题，Intel、IBM等公司可谓八仙过海，各显神通。比如Intel在其制造工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路以解决漏电问题；IBM开发出SOI技术——在在源极和漏极埋下一层强电介质膜来解决漏电问题；此外，还有鳍式场效电晶体技术——借由增加绝缘层的表面积来增加电容值，降低漏电流以达到防止发生电子跃迁的目的……上述做法在栅长大于7nm的时候一定程度上能有效解决漏电问题。不过，在采用现有芯片材料的基础上，晶体管栅长一旦低于7nm，晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应，为芯片的制造带来巨大的挑战。针对这一问题，寻找新的材料来替代硅制作7nm以下的晶体管则是一个有效的解决之法。碳纳米管和近年来非常火爆的石墨烯有一定联系，零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯都属于碳纳米材料家族，并且彼此之间满足一定条件后可以在形式上转化。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管和石墨烯在电学和力学等方面有着相似的性质，有较好的导电性、力学性能和导热性，这使碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。此外，掺杂一些改性剂的碳纳米管复合材料也受到人们的广泛

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