1nm工艺制程并不是芯片的极限

今年3月份台积电与台湾国立交通大学的研究团队因为成功开发出了大面积晶圆尺寸的单层氮化硼（BN）而登上了《自然》杂志，厚度仅0.7nm。这也是台积电首次登上如此权威的期刊。

随着晶体管的尺寸不断缩小，目前即将达到传统半导体材料的物理极限。厚度仅有原子层厚度的二维原子层半导体材料可以解决晶体管微缩瓶颈，它可以有效阻隔二维半导体不受临近材料干扰，可望借此进一步开发出2nm甚至是1nm的晶体干工艺制程。

晶体管的极限在于原子核大小

观测单个原子，可以通过扫描隧道显微镜（STM），传统的光学显微镜肯定是无法直接分辨出单个原子的，因为原子的尺寸比可见光波长要短得多。扫描隧道显微镜不仅能够分辨出单个原子，甚至还能精确操纵单个原子。

原子的直径一般在0.1至0.5纳米，如果把一个玻尔半径为0.05纳米的氢原子放大到2厘米的乒乓球大小，那么同比例放大的乒乓球会比地球还要大。

波尔半径是指在特定轨道上环绕原子核运动的电子所处的轨道能量最低的半径。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大。

原子是目前盖房子的最小尺寸的砖块，晶体管的工艺制程理论上是可以做到原子直径大小，也就是0.1到0.5纳米。想要将尺寸做到比原子直径还小，那就基本没有可能了，这就已经超出了元素周期表的范畴了。原子虽然不是最基本的粒子，但想要将它分解成需要其他的粒子需要很大的能量，而且其他粒子在常态下并不是稳定的存在。

晶体管的尺寸能不能大批量做小还得问刻刀“光”

目前ASML最顶尖的EUV极紫外光刻机采用的是波长13.5纳米的极紫外线，想要获得13.5纳米的“极紫外线”需要将高纯度的锡加热到融化，然后再喷射到真空中形成锡珠，再通过激光照射将锡珠变成粉饼状，再用高功率的二氧化碳去照射“粉饼”就可以释放出13.5纳米的极紫外线。

光透过光罩射到涂有光刻胶的晶圆上，被光罩上的电路图挡住找不到光的部分留下，而被光照到的空余部分的感光材料会被化学腐蚀反应分解出去，电路就会被刻在晶圆上了。

有没有波长更短的光源？有。但各个厂家都清楚，波长越短，频率就越高，光的能量和频率成正比，和波长成反比。频率过高的话，传统的光刻胶就会被直接打穿，这也是为什么AMSL的光刻机会一家独大的原因之一，光源并不是这么好制备，制备好了怎么精准控制将图纸微缩复刻到晶圆上需要非常高的精度。

总结

我们都知道百米赛跑目前的极限是9.58秒，越想靠近这个值难度系数就越大，何谈突破。

半导体工艺发展到今天已经被很多物理学科、材料科学从各个方面制约着。就像百米赛跑很难突破9.58秒一样，越是接近原子核半径大小就越难再跨出一步。但9.58秒并不是百米赛跑的极限，同样1纳米也不会是芯片工艺制程的极限。