2020年度国外军工材料技术重大发展动向(4)
台积电和三星在硅半导体3纳米工艺上同台竞技
摩尔定律是对半导体行业发展规律的总结，在过去的数十年里一直对该行业的发展起到指引和推动作用。但随着器件性能的提升、尺寸的缩小，晶体管特征尺寸已经达到原子级别，晶体管中的载流子将不受控制，短沟道效应、热电子效应、漏电流增大等问题越来越严重。技术难度的增加和成本的急剧增长，使得先进工艺制程的研发速度逐渐放缓。目前14纳米及以下的工艺大多采用立体结构，即鳍式场效晶体管（FinFET）。但这种结构的前道工艺已接近物理极限，如继续微缩，电性能的提升和晶体管结构上都将遇到诸多问题。
2020年1月，三星电子宣布计划在全球范围内率先实现3纳米芯片量产制程工艺，以确保其在半导体市场的技术优势。三星计划较为激进放弃FinFET晶体管技术，率先采用基于全环绕栅极（GAA）晶体管架构的3纳米技术。同5纳米制程工艺相比，该技术能使芯片的理论面积缩小35%、能耗降低50%、性能提高30%。三星自2002年起一直在开发闸极全环工艺技术，通过使用纳米片设备制造出了多桥-通道场效应管，确保减少功率泄漏，改善对通道的控制，这是缩小工艺制程的基本步骤。这种设计可实现更高效的晶体管设计，并具有更小的整体制程尺寸，从而在5纳米FinFET工艺上实现了每瓦性能的巨大提升。新工艺的实现还需要对显影、蒸镀、蚀刻等一系列工程技术进行革新，且为减少寄生电容还需导入替代铜的钴、钌等新材料。首批面向智能手机和其他移动终端的3纳米芯片将于2020年进行测试，并于2021年批量生产。对高性能芯片改进型产品，如图形处理器和封装到数据中心的人工智能芯片，将在2022年实现批量生产。
基于铪-碳-氮体系的新型高温陶瓷材料有望成为解决高超声速飞行器耐高温结构的钥匙
作为目前芯片制造行业的“领头羊”，台积电也公布了自己的3纳米战略。2020年4月，台积电正式披露了其3纳米工艺技术细节，晶体管密度高达2.5亿/平方毫米。采用台积电7纳米极紫外光刻工艺的麒麟990 5G芯片的晶体管密度约为0.9亿/平方毫米，3纳米工艺晶体管密度是7纳米的3.6倍。在性能提升方面，台积电5纳米比7纳米性能提升15%，能耗降低30%。然而，预计3纳米比5纳米性能提升10%~15%，能耗降低25%~30%；在晶体管密度方面，台积电表示3纳米工艺较5纳米提高了1.7倍，晶体管密度高达2.5亿/平方毫米。与三星不同，在技术方面，台积电评估了多种方案，认为现行的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术在成本及能效上更佳，首批3纳米芯片仍将采用FinFET技术。此外，台积电还表示，3纳米的研发符合预期，并没有受到疫情影响，预计在2021年进入风险试产阶段，2022年下半年正式量产。
新型稀土金属提纯方法有望解决美国进口依赖问题
全球稀土金属市场总量达40亿美元，随着新电子产品、飞机、舰船、电动汽车的计算机芯片、发动机磁铁和其他关键产品的发展，稀土金属需求量还在持续增长。但地球上的稀土资源有限，难以确保可持续发展。
2020年5月，美国普渡大学经过10年研发，提出一种具有自主知识产权的提取和净化工艺——使用配体辅助色谱法从煤灰、废旧磁铁和原矿中，安全、有效地净化和提纯稀土金属，且不影响环境，使美国能够在国内创造一个更稳定、更可靠的稀土金属来源。传统提纯稀土元素的方法为两相液-液萃取法，该工艺需要使用成千上万个串联或并联的混合沉降器单元，同时还会产生大量有毒废物。普渡大学开发的新工艺使用两区配体辅助置换色谱系统和一种新的区分离方法，可生产出纯度为99%的稀土金属。研究人员表示，该工艺有望解决美国一直以来因稀土金属过于依赖进口而产生的供应链隐患。
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