碳纳米管工艺石墨烯“碳基芯片”

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最近半导体行业朋友圈里热传某巨头为实现IDM挖人才造光刻机的事情，现在看到是实锤了。当然也有些自媒体为了掩饰其之前的怀疑还想再哔哔，不过也只能是螳臂当车，然并卵，其哔哔声依然阻碍不了巨头的步伐和IDM愿景。

近期网上流传的关于国内光刻机的传闻

既然硅基芯片时代的光刻机技术门槛和专利瓶颈如此之高，我们又该如何实现弯道超车呢？

对于芯片来说，同类型体积下里面晶体数量越多，性能就会越强，这是摩尔定律决定的。也是国内外芯片设计和加工厂商共同追求的高端纳米工艺目标。

光刻机是制作芯片最主要的工具之一，市场上的那些 5nm、7nm、10nm、14nm 等讲的不是芯片的晶体管数量，而是芯片中晶体管的大小，想要制作更小的晶体管，对光刻机上面的光源和镜头等都有着极高的要求，根据【光速=频率×波长】的原理，波长越小时，频率越高。当频率越高时紫外线的传播路线就越直，抖动就越小，图像的像素点就会越密越小。目前只有荷兰ASML的EUV光刻机才能做到，其极紫外光源的波长为13.5nm 。

我国在硅基芯片时代的发展较晚，也如网友所说的是被牵着鼻子进步的，这么多年下来突破性的进展很少，直到现在的硅晶体管已经快要到达使用极限的时候，我们的芯片纳米技术还一直在攻破7nm工艺，那么有没有一种新的方式，既可以提升芯片的性能，还可以不用使用那么高的纳米工艺呢？答案是有的，这就是本文讲的以碳纳米管为材料的碳基芯片。

那么碳基芯片还会依赖于高端的ASML高端光刻机吗？肯定不会的，毕竟我们研发的目的就是为了摆脱对ASML高端光刻机的控制，打造出我们自己的新材料芯片时代，由于具体的制作工艺并没有爆料，但是肯定是，就算需要光刻机刻画电路，国产的光刻机就已经足够了。硅基芯片的发展历史很长，而碳基高端芯片的技术才刚刚开始，由于硅基材料的特性，在目前的一个普通的芯片中装有上百亿个晶体管，那么它的功耗将会变得更高，热量也变得更大，出故障的概率也相应增加，而且将上百亿的晶体管装在一个1cm不到的芯片中工艺非常的复杂，很多国家都做不到。

想要打破这种困境，就需要抛弃传统的硅材料，而使用碳元素，用碳纳米管做的晶体管电子迁移率是硅的1000倍，而且碳材料里面电子活动更加自由，不容易摩擦发热，使用碳纳米管作为原材料的晶体管在同等栅长的情况下比硅基芯片的性能提升10倍以上。这将大大的提升了未来碳基芯片的性能，减少发热功耗。

碳基芯片除了比相同栅长的硅基芯片功耗更低，性能更强、稳定性更高之外，还具有其独有的特性—可拉伸性。这也就意味着在未来的市场应用中将变得更加广泛，比如我们的智能穿戴设备，折叠手机等，现在的手机屏幕已经攻克了柔性屏和曲面屏技术，但是因为受到硬件的现在，折叠屏手机中还需要用到昂贵的铰链，既不方便也增加了成本，如果内部电路和芯片可以用碳纳米管制作，也就意味着拉伸性会更好，并且硅基的芯片在2nm左右，每提高一次工艺都是海量的投入。

北京大学张志勇教授和彭练矛教授和其团队的努力下，已经研发出全新的提存和组装的方法，已经制作出99.9999%高纯度、高密度的半导体阵列的碳纳米管材料。但碳基材料的芯片受到目前材料和技术的限制，想要完成商用的话，至少还需要3-5年的时间，想要批量生产，估计要到10年后了。

和5G技术一样，在碳基芯片的发展上，谁抢先一步突破，谁就优先取得了专利权和控制权，一个产品的研发就是建立在无数的突破和专利上面，碳基芯片的投入不光是成本上的，还有在人员上的，碳基芯片的研发只是开始，未来想要应用到各个平台上面的话，就需要和其他硬件和软件进行适配，这将需要大量的开发人员进行研究和探索。但有一点，碳基芯片必然是我国未来芯片发展的一个重要目标。

作为全球先进的芯片制造商台积电，在硅基芯片的研发上已经突破到了5nm工艺，并且正在向2nm工艺进发，但2nm之后硅基芯片的工艺似乎遇到了瓶颈。而我国因为受到了美国的制裁，虽然在芯片设计上有所成就，但是在光刻机等制造设备中却无法突破。两种情况的趋势下，全世界科技人员开始了新材料芯片的研发。

碳基芯片是否需要光刻机

可以肯定的是，碳基芯片是不需要光刻机的，所以也不会使用光刻胶，要不然彭练矛和张志勇教授花费这么大精力去研发碳基芯片还要依赖光刻机的话，那么它的使用价值并不高，毕竟在光刻机的研发上面，我们和ASML的差距还是很大的，那么想要弯道超车就必须摆脱光刻机的控制。而且目前的硅基芯片已经发展到2nm技术，基本已经达到瓶颈，想要继续突破将会非常困难，那么研发一种全新材质的芯片成为了一个世界科技行业共同的目标。只不过，这一步，我们来得更早一些。

普通芯片的制作工艺

传统芯片的制造过程需要经过是通过抛光、光刻、蚀刻、离子注入等一系列复杂的工艺过程。也就是先用激光将电路刻在掩盖板上（相当于我们印刷的转印技术），再通过用紫光通过掩盖板将电路印在硅片上进行曝光，涂上光刻胶等刻蚀后就能在硅圆上制造出数亿的晶体管，最后进行封装测试，芯片就制作完成。而这个过程是无法离开光刻机和刻蚀机的。

碳基芯片的制作工艺

而碳基半导体芯片用到的是碳纳米管或石墨烯，碳纳米管和石墨烯的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别，两者的主要原料是石墨，目前生产工艺可以通过电弧放电法、激光烧蚀法等多种方式制成。所以碳基芯片电路的加工一定不会用到光刻机。

碳基芯片相比硅基芯片有哪些优势

采用石墨烯制造工艺的碳基芯片，可以达到普通硅基芯片的10倍以上，将继续推动摩尔定律更好的发展，就算是硅基芯片工艺突破5nm达到2nm工艺，也突破不了10倍的提升。如此超快的速度得力于石墨烯和碳纳米管，在信号的传输中拥有更好的传导性能。

碳基芯片进行的是一场芯片界的革命，将打破传统芯片的市场，重新定义什么叫智能芯片，而且在生产工艺上因为不需要使用到光刻机和光刻胶等设备，这样也让我国被这两种设备卡脖子的局面。现在我们唯一能做的就竭尽全力去推广碳基芯片的发展，这是我们芯片行业新的发展目标。

弯道超车还需要多久

无论是手机的处理器CPU，还是其他的各种微电路芯片，我国在生产工艺和制造设备中，都要落后国际水平，短时间难以超越。但是碳基半导体的成功研发，可以让我国在芯片领域中实现弯道超车，达到国际的先进水平。彭练矛教授表示：

“碳纳米管的制造乃至商用，面临最大的问题还是决心，国家的决心。若国家拿出支持传统集成电路技术的支持力度，加上产业界全力支持， 3-5年应当能有商业碳基芯片出现，10年以内碳基芯片开始进入高端、主流应用。”

总结

相信在不久的时间，通过各个国内厂商的适配和研发，我国的碳基芯片能重新成为世界领先，摆脱被光刻机和光刻胶卡脖子的状态。抢占碳基芯片产业的控制权。那个时候我们在国际市场上才能有足够的话语权，并且随着碳基芯片的发展，我国的智能化设备也会有明显的提高，这种提升不光是在我们的手机上和数码产品上，甚至是在军事、航空等重要领域都会迎来新的突破。

功不唐捐、玉汝于成，致敬中国半导体制造！

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