碳基晶片的問世，代表我們晶片製造可以繞過光刻機技術，再也不用擔心被極紫外光刻機卡脖子了嗎？

我國碳基晶片一經問世，就引起了西方各大媒體的瘋狂報道，這項技術，完全可以顛覆整個晶片半導體格局。

中科院：我院成功研發出一款8英寸的石墨烯晶圓。

西方媒體：快快快，中國研製出了石墨烯晶圓。

於是，關於中國成功研製石墨烯晶圓的訊息遍佈全球。

中科院：我們計劃大規模生產，但目前該技術無法實現工業化。

西方媒體：唉，還以為中國彎道超車了。

北大研究團隊：成功研製出碳基晶片。

西方媒體：快快快，中國又研發出了碳基晶片。

西方媒體：重大新聞！重大新聞！中國研製出了碳基晶片，該技術的應用，或將繞過光刻機技術，中國將成功在晶片製造中實現彎道超車。

先是中科院宣佈研發出石墨烯晶圓，後是北京大學研究團隊製作出碳基晶片，其效能遠超同規格矽基晶片。

那中國可以彎道超車嗎？我們再也不用擔心被極紫外光刻機卡脖子了嗎？

碳基晶片的研發對於我國來說，是一個重大突破，但不得不說，

即使使用碳基晶片，我們也難以擺脫對光刻機的需求。

在這項技術的應用上，還是會受到限制。

我們一直使用的是矽基晶片，矽基晶片的製作工藝在多年工業體系的沉澱下早已熟練，但因為其在製作過程中需要用到光刻機，我國的光刻機技術目前最多也就只能做到28nm，國外的光刻機可以做到14nm，在製作精度上我們顯然是稍顯遜色，要想提高精度就只有引進國外的光刻機進行生產。

當然，現在國外的先進水平可以達到5nm，這不全是光刻機的原因，

但不可否認，光刻機是晶片製造技術中的關鍵一環。

也正是因為光刻機技術的落後，我國在晶片製作上通常處於被卡脖子的狀態。

所以，晶片技術一直被卡脖子的問題根本在於：光刻機技術能不能被妥善解決。

自從我國的碳基晶片研製成功以來，對碳基晶片效能的傳言不絕於耳，很多媒體都宣稱中國碳基晶片的製作不需要藉助光刻機就可以實現。要知道，這種設想，意味著我國在晶片製作工藝上前進了一大步，可以直接繞過光刻機技術，實現彎道超車。

一

碳基晶片的“真面目”

那北大的碳基晶片到底如何呢？

碳基晶片的研製在上世紀就已經提出，一直都宣傳在應用之後會代替矽基晶片，但因為碳太活潑了而且介電常數又低，這個用碳基晶片來代替矽基晶片的想法一直沒有實現。

最早的時候是在金剛石中摻入雜質來製作電晶體，這種操作可以實現比矽半導體更優越的效能。

但有一個不可避免的問題就是，金剛石製作成本高，想要實現量產幾乎是不可能的，所以就一直沒有實現這個設想。

後來才製作出單層石墨烯和單層碳奈米管，這種材料相對於金剛石來說不僅成本更低，而且其本身就是良好的半導體。

碳奈米管就是由呈六邊形排列的碳原子一層層重疊之後形成的一種同心的圓管，由於它的結構和石墨的一般片狀結構相同，管徑和管壁都具有螺旋角，所以

其導電效能良好，本身就是一種導電的材料。

並且在導電的過程中電流不會沿著碳分子進行橫向的擴散，只能透過軸向傳輸電流，所以

在傳輸過程中的電損耗比較小

，在導電效能上已經可以秒殺必須考慮橫向擴散的矽半導體了。

除了導電效能優異之外，碳奈米管還有兩個亮點。

1.材料強度高。

碳奈米管的材料強度很高，甚至比鋼鐵還結實，同時這種材料的柔性也特別好，適合做柔性摺疊。

2.材料直徑小。

碳奈米管的直徑只有1-3奈米，特別適合做小尺寸的電晶體，能夠做成立體控制結構，也有利於電路控制。

世界上以美國IBM為首的各種科研團隊一直在研究碳奈米管晶片技術，也有了一些進展。北大科研團隊最早發現5奈米級電晶體器件製作，而且最早真正實現了碳基晶片電路，效能超過同規格矽基晶片。

雖然碳基晶片在效能上超過同規格矽基晶片，但製作工藝目前來說不夠穩定，在製程上沒有已經形成體系的矽基晶片先進。

二

晶片是如何導電的？

先來看看晶片導電的原理是什麼樣的？

前面提到過，碳基米管它本身是一種效能優異的半導體材料，兩端接上金屬可以產生接界電壓，這種接界電壓讓電流只能單向流過，類似於普通晶片中的半導體電晶體。

做個簡單的比喻，一個球是可以在平面上自由滾動的，但如果是在斜坡上滾動，可能就沒有那麼容易了。

斜坡的產生可能有兩種情況，

一種是“凹”字形狀，就是中間低兩邊高。

小球想要從一邊流向另一邊，就必須讓凹進去的哪一部分抬高，中間部分和兩邊在同一水平面時，小球就可以順利透過。這就需要有一個比較大的推力將中間部分抬上去，我們通常的做法是在中間部位上方加一個電場。

第二種情況就是“凸”字形狀，也就是中間高兩邊低。

這種情況下就需要加入一個排斥力，讓中間的部分凹下去，形成和兩邊一樣高的平面，這樣小球就能在這個平面上順利透過。

兩邊一個叫源極（輸入端），一個叫漏極（輸出端），中間就是一個門，如果這個門打不開，電流就不能透過，一旦給門上施加一定電壓，就可以輕鬆把門開啟，實現電流流動。

不管是碳奈米管，還是矽半導體，都是利用這樣的原理。

而碳基晶片，就是把中間的那個流通通道換成了碳奈米管，

同時兩邊的源和漏中摻雜的不再是之前矽基晶片中所使用的矽材料，而是一種特殊金屬，利用這種特殊的金屬材料和碳奈米管之間的接界電壓，就可以製作成半導體電晶體。

目前已經成功製成了基於碳奈米管的N型電晶體還是P型電晶體。有了P型管和N型管，製造積體電路的基本零件就湊齊了。

三

碳基晶片是無法產業化的“罪魁禍首”

看起來，碳基晶片的製造原理並沒有多難，但這麼多年碳基晶片的研發為何一直沒有實現產業化？

很重要的原因就是它的工業化生產比矽基晶片難很多。

前面已經提到過，碳太活潑了而且介電常數又低，碳基晶片的製造中，對於碳的提純就是一個很大的問題。

第一個問題，就是碳奈米管中對於碳元素的提純。

因為碳比較活潑，所以對它的提純難度很大。目前的提純方法主要有兩種：

一類是基於小分子和水相溶劑進行碳奈米管的提純和排布，

採用小分子吸附在碳奈米管表面，透過色譜層析或雙相萃取等方式，實現碳奈米管的提純，這種方法目前的產率較低，純度一般低於 99。9%。

第二種方式就是基於共軛高分子和有機相溶劑進行提純，

共軛高分子和碳奈米管粉末分散在有機溶劑中，進行超聲分散，在這個過程中，包裹了高分子的金屬型碳奈米管，相互作用較強，碰撞後容易形成管束。

經過高速的密度梯度離心，包裹了高分子的金屬型碳奈米管管束和未被高分子包裹的碳奈米管管束將形成沉澱，

穩定分散在溶液中的主要是包裹了高分子的半導體碳奈米管和多餘的高分子，從而實現半導體碳奈米管的提純。

北京大學彭練矛課題組發展了多次分散離心的方法，將半導體純度提高到99。9999%以上。這個純度的碳奈米管才能保障生產出來的晶片效能穩定，產品引數一致，而目前能買到的碳奈米管最大提純度為99。99%。

所以，在碳奈米管的製作過程中對於碳元素的提純問題是碳基晶片無法量產的重要原因之一。

第二個難題就是製作過程中元件的組裝問題。

碳基晶片製作的第一步就是排列碳奈米管，相當於是要一點一點在光碟上貼顯微鏡都看不到的瓷磚，並且還得保證瓷磚與瓷磚間的間隙穩定，不能摞在一起，在這種特殊材質上，能做到完美組裝，顯然沒有那麼容易，而這一步，也是最重要的一步。

現在中科院已經可以在8寸晶圓上均勻擺放碳奈米管了，可以說我們的這項技術目前處於世界前列。

將碳奈米管排列好之後，就要為其覆蓋上絕緣層，以便很好地把碳奈米管理起來。

這個時候，就用到了我們的“卡脖子”技術——光刻機。

光刻機的作用主要就是在碳奈米管制作好之後，輔助完成其裝載管道兩邊的金屬電極。

利用光刻機在管道兩邊刻出金屬電極的安裝位置，之後將電極內建，完成安裝。整個操作中，光刻機必不可少。

看到這裡應該能明白，

不管是使用矽基晶片還是碳基晶片，光刻機的使用都必不可少。

即使碳基晶片所使用的材料自帶導電性，但其自身所帶導電性並不足以滿足導電要求，只能說明這種材料在導電過程中可以起到輔助作用。

所以對於碳基晶片的研發，並不能說明我國在晶片製造中擺脫了光刻機的束縛。

但不得不說，碳基晶片的研發，對於我國晶片技術的發展來說，是一個巨大的進步，畢竟這種碳基晶片，其綜合性能要遠遠優於同規格的矽基晶片，

目前我們的碳基晶片的主頻已經高於主流矽基晶片的主頻了。

如果能夠掌握碳基晶片的量產技術，按照摩爾定律我們可以在一兩年內實現60奈米，甚至是45奈米工藝的製造，因為碳基晶片材料的特殊性，這種工藝的晶片完全可以媲美10奈米或者是7奈米矽基系晶片。

現在最主要的問題就是，我們已經掌握了研製技術，只是還不能實現大規模量產。

在製造過程中，對於光刻機的需求不可避免，我們也自然無法透過碳基晶片擺脫光刻機的束縛。

但碳基晶片的製造對於光刻機的要求不是很高，目前我們現有的光刻機就可以滿足其生產需要，對於極紫外光刻機的需求，至少要等其演進三代到五代以後。

結語：

碳基晶片確實綜合性能優異，在很多方面可以趕超同規格的矽基晶片，但

其製造過程中不能避免對於光刻機的使用。

目前碳基晶片的發展還沒有達到使用極紫外光刻機的地步，使用現有的光刻機就可以滿足其生產需求，但長遠來看，對極紫外光刻機的使用也是不可避免的。

光刻機是現代工業生產中躲不開的核心裝置，不可以輕易規避。除了生產CPU外，記憶體條、儲存卡、固態硬碟等的製造也會用到光刻機。同時，光刻機中的核心元件在其他平臺也會有所利用，

所以加緊對光刻機技術的研發才是硬道理。

對於很多國際大廠來說，想要在技術上不被別人卡脖子，就得在前期積極投入對於光刻機技術的研發，同時進行產業化適配。只有這樣，才能實現真正的科研領跑、生產領跑，保障自身未來在國際上的話語權。