二○二三年八月中國智慧型手機製造商華為推出配備麒麟9000s晶片的旗艦手機Mate 60 Pro上市，這款晶片由中國晶圓代工廠中芯國際生產，採用了七奈米製程，消息震驚了美國和日本。中芯國際是一家總部位於上海的半導體製造商，過去一直被認為無法生產比十四奈米更先進製程的晶片。
這裡所說的製程指的是半導體製程，也就是半導體基板上的製程線寬，十四奈米製程代表製程線寬為十四奈米；七奈米製程表示製程線寬為七奈米，數字愈小，晶片愈精細。
目前市面上銷售的蘋果（Apple）手機iPhone 15 Pro配備的A17 Pro晶片，是採用最新的三奈米製程。說到七奈米製程，最早採用這種製程的晶片是二○一八年開始銷售的iPhone XS配備的A12晶片。
乍看之下，華為在二○二三年推出的Mate 60晶片採用七奈米製程似乎不足為奇，但七奈米之前的十四奈米製程與七奈米製程之間有著巨大的差異。
2 究竟什麼是半導體？
在討論為什麼中國製造七奈米製程的半導體能引起軒然大波前，我們先了解一下到底什麼是半導體？
物質大致上可以分為導體和絕緣體，導體很容易導電，絕緣體幾乎不導電，半導體則介於兩者之間，根據不同的條件控制導電性，常見的半導體材料有鍺（Ge）和矽（Si）。
半導體之所以特別，是因為我們可以透過不同的方式來控制導電性，在導電和不導電之間切換。這樣一來，我們就能夠利用半導體來控制電流。
讓我們更深入地了解半導體如何控制電流？接下來涉及的內容較專業，如果覺得太複雜，只要記得「半導體能夠控制電流」這點就足夠了，其餘說明可以直接跳過。
簡單來說，電流其實就是電子的流動，雖然我們常說電流從正極流向負極，但實際上電子傳輸的方向是由負極流向正極。這是因為電子帶有負電荷（帶電物體所帶有的電量），會受到正極吸引，所以當電子移動時，電流朝反方向流動。
接下來我們要認識的是Ｎ型半導體（圖表1-1）。Ｎ型半導體是指半導體材料矽結晶當中，摻雜少量元素週期表中位於矽右方的磷（Ｐ），這個狀態下的物質就稱為Ｎ型半導體。
Ｎ型半導體幾乎都是由矽原子組成，但磷原子比矽原子多出一個電子（嚴格來說就是原子最外側的電子數量多出一個）的狀態。由於電子帶負電，所以Ｎ型半導體便持有與磷相同數量的多餘電子（帶負電），這些多出來的電子就稱為「自由電子」。
相反的，如果在矽晶體中摻雜少量元素週期表中位於矽左方的硼（Ｂ），Ｎ型半導體摻雜磷而多出了自由電子，但加入硼時，則形成硼原子比矽原子少一個電子的狀態，成為缺少一個電子的電洞（Electron Hole），為了方便理解，我們將電洞視為帶有正電荷的粒子。這個狀態稱為Ｐ型半導體（圖表1-2）。
當電流通過Ｎ型半導體時，自由電子將被吸引到正極，由於電子的傳輸方向和電流相反，所以電流便由正極流向負極；如果讓電流通過Ｐ型半導體，電洞因為帶有正電荷，所以會被吸引到負極，因此電流依然從正極流向負極（實際上是電子填補電洞的位置，可以想像成電洞朝向電路的負極移動而形成電流）。
為了控制電流，必須接合Ｎ型半導體與Ｐ型半導體，稱為ＰＮ接合（圖表1-3）。
當我們在ＰＮ接合半導體上，讓電流由Ｐ型端流向Ｎ型端時，Ｐ型半導體中電洞往負極，也就是接合面移動；而Ｎ型半導體的電子則是往正極，同樣是往接合面移動。這時的接合面電子（負電荷）和電洞（正電荷）結合後消滅，取而代之的Ｎ型端有新的電子進入，而Ｐ型端形成新的電洞，亦即電流從Ｐ型端流向Ｎ型端。
接下來則是由半導體大顯身手的時刻，我們讓電流反向由Ｎ型端流向Ｐ型端。這時電洞與電子的流向與剛剛相反，Ｐ型半導體中電洞往負極，也就是與接合面相反的方向移動；而Ｎ型半導體的電子，同樣往與接合面相反的方向移動。這麼一來，ＰＮ接合面形成一個既沒有電洞也沒有電子的空乏區（Depletion Region），電流無法通過。
總結以上的說明，半導體的ＰＮ接合，電流只能從Ｐ型端流向Ｎ型端，無法從Ｎ型端流向Ｐ型端，這種特性稱為「整流作用」。因為電流只能單向流動，我們可以利用ＰＮ接合面的整流作用，將交流電（電流方向不斷變化的電流）轉換成直流電（電流方向不變的電流），利用這個特性的半導體零件稱為「二極體」（Diode）。
3 為什麼半導體可以進行計算？
雖然我們已經離中國的七奈米晶片話題有些遠了，但再繼續深入說明一下，就能理解為什麼半導體能夠進行計算？
一般來說，半導體通常指的是積體電路（Integrated Circuit, IC），常稱為晶片。想像晶片是一個微型的電子工廠，其中包含大量的電子元件（例如二極體、電晶體等），根據用途的不同，可以分為邏輯晶片（用於運算）、記憶體晶片（用於儲存數據）及功率半導體（用於功率放大、功率控制）等。
此外，我們還可以根據晶片中容納的電子元件數量來進行分類，例如小型積體電路（Small Scale Integration, SSI）、中型積體電路（Medium Scale Integration, MSI）及大型積體電路（Large Scale Integration, LSI），雖然ＬＳＩ這個詞現在仍然經常聽到，但由於大多數晶片都已經是ＬＳＩ了，所以這個分類目前已經不太常用。
回到半導體的工作原理。我在上一節介紹過ＰＮ接合面的整流作用，接下來將在這一節介紹電晶體的開關作用（電晶體還有擴大訊號等其他功能，但本書將不討論這個部分）。
前面提到ＬＳＩ中容納大量的電晶體，以智慧型手機來說，其中的晶片包含大量電晶體，透過高速運轉計算，執行通訊及各種應用程式。
包括智慧型手機、電腦在內，都使用○和一的二進位制來處理數據。在二進位制系統中，以○表示電流未通過，以一表示電流通過，這樣每一條電流都可以使用○與一的數字變化來顯示。
電晶體有ＮＰＮ型和ＰＮＰ型兩種，兩者電流流動方向相反，但基本功能相同。在這裡，我們以ＮＰＮ型電晶體為例進行說明（圖表1-4）。ＮＰＮ型電晶體有三個端子，連接Ｎ型和Ｐ型半導體，分別稱為射極（Emitter，Ｎ型）、基極（Base，Ｐ型）及集極（Collector，Ｎ型）。
透過基極電壓來控制從集極流向射極的電流（在ＰＮＰ型電晶體中，電流方向相反），是電晶體作為開關的基本功能。當基極沒有電壓時，基極和射極之間的ＰＮ接合面會形成一個空乏區，阻止電流從集極流向射極；但若是在基極施加電壓，空乏區就會消失，部分電流會從射極流向基極（基極電流），但是由於基極的Ｐ層非常薄，大部分電流會從射極流向集極（集極電流）。也就是說，透過控制是否給基極施加電壓，我們可以控制射極和集極之間的電流，如同開關的功能一般。此外，當增加基極電壓時，集極電流會呈指數級成長，這就是放大電路的基礎。
順便一提，電腦只使用○和一這兩個數字來進行二進位計算，並且依靠電路運轉，而利用電路上電流的通過與否來表示○與一，也就是通電代表一，不通電代表○，因此我們只需控制開關，讓電流通或中斷。換句話說，電腦本質上就是一個巨大的開關集合，事實上，早期的電腦就是利用繼電器（Relay）這種機械性開關來進行計算。
後來，隨著半導體電晶體的出現，取代繼電器，使電腦變得更小、速度也更快。隨著將大量電晶體整合在單一晶片上的技術提升，亦即形成積體電路時，電腦的性能、尺寸和功耗都有顯著進步。簡而言之，電腦的發展史就是將半導體晶片打造成更小、更複雜的開關集合的過程，透過在更小的面積上整合更多的開關，我們就能製造出性能更佳的半導體和電腦。
有關電的部分介紹到這裡。以電子電路或積體電路建構而成的晶片，主要就是靠半導體製程的電晶體對電子訊號進行調變或開關的作用，為了在一個晶片上整合大量的電晶體來進行複雜的計算，我們需要在有限的晶片面積上容納更多的電晶體。
製造半導體晶片時，我們會在矽晶圓上刻出難以計數的電路，並在上面安裝電晶體，如果我們能縮小這些電路的線寬，就能讓相同尺寸的晶片容納更多電晶體，這些電路線寬就被稱為「製程線寬」，也就是前面說的十四奈米、七奈米和三奈米等數字。因此，製程線寬愈小，晶片上就能容納更多電晶體，也就意味著這顆晶片的性能愈強，這就是為什麼我們總是追求更小的製程線寬來製造先進的半導體。
4 美國對中國半導體出口管制的目的
要在矽晶圓上蝕刻電路，必須進行微影曝光。所謂的微影曝光，就是將光照射到晶圓上，將電路圖案轉印到晶圓上的過程。
整個半導體製造過程大致分為以下幾個步驟：
一、成膜（薄膜沉積）：在矽晶圓上沉積一層二氧化矽（SiO2）等薄膜，作為未來電路圖案的基礎（圖1-5的①）。
二、塗上光阻劑：在晶圓上塗上一層感光樹脂，稱為光阻劑（圖1-5的②）。
三、曝光：經由光阻劑的感光作用，將刻有電路圖案的光罩放在光阻劑上，進行曝光（圖1-5的③）。
四、顯影：經過曝光後，洗去光阻劑上未曝光的部分，留下電路圖案（圖1-5的④）。
五、蝕刻：用蝕刻液去除沒有光阻劑保護的部分，在晶圓上形成電路圖案（圖1-5的⑤）。
六、去除光阻劑：清洗掉殘留的光阻劑，完成電路圖案的製作（圖1-5的⑥）。
圖案轉印的細緻程度，取決於光刻機的解析度。而解析度由（製程係數）×（波長）／（數值孔徑）決定，這個值愈小，解析度愈高，因此為了製造性能更高的光刻機，製程係數和波長需要愈小愈好，而數值孔徑則要愈大愈好。
讓我們將焦點放在波長上。這裡指的是用於曝光時的光源波長，過去使用的光源是氟化氪（KrF）準分子雷射和氟化氬（ArF）準分子雷射，雖然稱為光，但並非肉眼可見的光，而是波長更短的紫外線，以KrF準分子雷射光來說，波長為二百四十八奈米，而ArF準分子雷射的波長為一百九十三奈米。至於極紫外光（ＥＵＶ）光源的波長更短，僅為十三．五奈米。從這個數字就可以看出，與傳統的KrF和ArF相比，ＥＵＶ光刻機更適合用於製造極其精細的製程。
當製造十奈米以下的先進半導體時，必須使用ＥＵＶ光刻機，日本的製造商有能力生產KrF和ArF光刻機，過去佳能和尼康等企業的光刻機占有極大市占率。
然而，過去半導體業界對於ＥＵＶ光刻機，普遍認為是由比利時微電子研究中心愛美科（Interuniversity Microelectronics Centre, IMEC）進行研發，而荷蘭的光刻機設備製造商艾司摩爾則壟斷了市場。這意味著，如果無法取得艾司摩爾製造的光刻機，就無法製造十奈米以下的先進製程半導體。
因此，美國為了防止ＥＵＶ光刻機設備流向中國，除了對日本和台灣，同時也向歐洲各國施壓，以加強對半導體相關設備和材料的出口管制。然而，華為最新款智慧型手機竟使用理論上中國無法生產的七奈米製程晶片，此消息一出，在美、日兩國掀起巨大波瀾，也凸顯了圍堵策略的局限性… 閱讀完整內容
