碳基集成电路将用什么设备来加工?

我们现代化设备,是基于电子产品高速迭代而发展起来的,对电子产品稍微熟悉的人都知道,目前我们的电子元件是基于材质硅和锗,比如二极管的单向导通,不同材质其导通电压不同。其他电子器件或芯片的设计原理基本相同。所以半导体领域,材质以及相关制成技术是基石。



北京元芯碳基集成电路研究院,经过多年研究与实践,解决了长期困扰碳基半导体材料纯度,密度与面积制备的瓶颈,其研究成果发表在国际权威杂志《科学》期刊上,论文详细描述了碳基材料提纯和自组装的相关方法。



很多人都听说过石墨烯材料,其实石墨烯材料也属于碳属材料,其在特殊条件下的超导效应一直是科学界的重大课题,而我国碳基材料的研发较早,此前半导体高端材料技术一直都掌握在其他国家手中当中,本次碳基技术突破极大提升我国半导体技术的应用。

碳基半导体材料具有很多不同于硅基材料的优点,更高的传导效率,更低的功率消耗,同时获取成本更有优势,随着技术发展和本身的优势,必将快速成熟应用于产品上。



目前半导体材料的改变,必定需要配套的制成设备和工艺,目前的制成设备和工艺必将随之进行改变,目前量子计算机,人工智能等技术一直是世界重大课题,也很可能在碳基材料成熟应用,高速发展,计算机算力大幅度提高,而且如果我国大力发展碳基半导体材料,是很可能实现弯道超车。成为半导体技术强国。不再受制于他国。




光刻机与晶圆材质无关。光刻机并不刻蚀晶圆,只是通过照相曝光的办法把线路“印”在涂覆在晶圆上的光敏材料上。而蚀刻机则是对晶圆进行“雕刻”。那么,对不同的材质,其工艺方法肯定会有区别。碳基材料的芯片,采用碳纳米管做基材,并不需要硅基晶圆加工程序,也不需要光刻机。由于可掺入多种物质,从而形成不同性能的碳基复合芯片,柔性芯片,薄膜芯片,多层多样多维芯片,量子芯片,光电子芯片。在今后的5~10年,碳基芯片将会颠覆整个半导体微电子行业。




    硅基芯片制程工艺即将触底,1nm级别的工艺可能是硅基半导体的终结,以后就要换新材料了,比如纳米片、碳纳米管。我国在碳基集成电路方面的研究处于领先定位,能够绕过“光刻机”实现弯道超车吗?



    硅基芯片很难超越

    目前,我国大陆最先进的晶圆代工厂是中芯国际,已经实现了14nm制程工艺的量产,并且突破了N+1、N+2工艺,距离台积电的5nm,还有2~3代的差距。虽然,我国在围绕硅基芯片,在材料、设备、技术方面有了较大的突破。然而,在硅基芯片领域,我国可能只能追赶,很难实现超越,毕竟他们领先太多,所以,只能换个方式,实现弯道超车。


    说完了芯片工艺,再说说生产芯片的核心设备“光刻机”,我国生产光刻机的企业是上海微电子,制程工艺是90nm,而荷兰ASML最先进的EUV光刻机可以生产5nm工艺的芯片,至少有20年的差距。也正是这台荷兰ASML的EUV光刻机,成为中芯国际“卡脖子”的设备。



    碳基芯片的突破

    与国外硅基技术制造出的芯片相比,我国在碳基技术制造出来的芯片,处于领先地位,碳基技术是代替硅基技术的新技术,相比硅基技术来说,我国的起步早,近些年来取得了一系列突破性进展。


    最新消息,我国突破了碳基半导体材料制备的瓶颈,比如材料的纯度、密度、面积等问题。相比硅基芯片来说,碳基材料成本更低、功耗更小、效果更高。举个例子,用现在硅基芯片的手机,看视频智能看3小时,如果使用碳基芯片,可以连续看9小时,是原来的3倍。





    总之,在当前的硅基芯片技术领域,我们只能追赶,很难实现超越,毕竟对方领先太多。然而,硅基芯片是有“物理极限”的,距离这个极限越来越近,需要替代材料。我国在碳基芯片研究处于领先地位,不过距离量产还有很长一段路要走。


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碳基芯片的制造原理不同于硅基芯片,要开发新的设备和工艺。我们要抓住这次机会,夺取芯片领域的制高点!相信在全国人民的支持下,党强有力地领导下,定能成功!




碳基材料一定是芯片业未来的发展方向,目前中国在碳基材料的技术上处于领先地位,完全可以实现弯道超车。关键是要花大力气建立起基于碳基材料的科研,设计,生产,制造的产业链,如果没有美国的封杀,因为投入产出的时间周期和投资回报压力,想实现这个产业闭环难度相当大。现在我们已经无路可退,只能负重前行。

根据知乎答主张晋的介绍,硅基芯片的生产工艺狠复杂,主要步奏包括:

1、湿洗(用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)

2、光刻(用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照到的地方就保持原样。于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案。注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆。 )

3、 离子注入(在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管。)

4.1、干蚀刻(之前用光刻出来的形状有许多其实不是我们需要的,而是为了离子注入而蚀刻的。现在就要用等离子体把他们洗掉,或者是一些第一步光刻先不需要刻出来的结构,这一步进行蚀刻。)

4.2、湿蚀刻(进一步洗掉,但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻)—— 以上步骤完成后, 场效应管就已经被做出来啦,但是以上步骤一般都不止做一次, 很可能需要反反复复的做,以达到要求。

5、等离子冲洗(用较弱的等离子束轰击整个芯片。)

6、热处理,其中又分为:

6.1 快速热退火 (就是瞬间把整个片子通过大功率灯啥的照到1200摄氏度以上, 然后慢慢地冷却下来, 为了使得注入的离子能更好的被启动以及热氧化。)

6.2 退火

6.3 热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )

7、化学气相淀积(CVD),进一步精细处理表面的各种物质。

8、物理气相淀积 (PVD),类似,而且可以给敏感部件加coating。

9、分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要。

10、电镀处理。

11、化学/机械表面处理。

12、晶圆测试。

13、晶圆打磨就可以出厂封装了。

那么基于碳基材料的生产设备工艺,完全可以借鉴现在的硅基生产技术,因为材料上的优势,我们落后一二代的工艺水平,完全可能生产出媲美硅基材料性能的晶片。只不过实验室的技术到实现工厂化的过程中,还有很多技术关节需要去攻克,只要有市场,有资金,这些都不是事,据报道,华为已经参与到碳基芯片的设计和制造中,技术和商业的完美结合,突破的日子不会太远。




芯片(集成电路)是高科技产业的核心,没有芯片就难以掌控核心科技,这就是美国要花这么大力气搞华为的原因的,芯片技术是前沿科技的基础,特别是在5G时代,美国作为一个霸权主义国家,那能容许以华为为首的中国科技企业去动摇它的根基呢。但一个国家要强大起来,就必须占领前沿科技的制高点,如果总是用美国的,跟随着美国去发展,只能永远给别人牵着鼻子走。

碳基芯片或许可以让中国“换道超车”

现在的芯片都是以硅为基础材料,大规模的晶体管集成在硅晶圆上,通过不断的提升和进化生产工艺,集成更多晶体管,提升工作主频,降低功耗,达到提升芯片性能的目的。目前的芯片(集成电路)工艺制程已经发展到5nm(纳米),再发展就是3nm、1nm,已经快要接近极限了,芯片(集成电路)的发展也将会遇到瓶颈。

在硅基芯片的发展道路上,中国面对重重障碍,EDA软件、IP、晶圆、生产工艺、设备等等的技术都遭到技术封锁,高端芯片产业链几乎没有中国的份额,华为海思好不容易搞出芯片来,马上就遭到美国的打压。

其实从21世纪以来,以硅为基础芯片的发展速度已经开始变得缓慢,很多国家的科学家都在研究和寻找可以替代硅的新材料,以目前的发展来看,碳纳米管应该是最有前景的,但制造出符合碳纳米管要求的材料并非容易的事,这是科学家们一直在努力解决的难题。

最近出现了一个振奋人心的好消息:北京元芯碳基集成电路研究院中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过多年研究与实践,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题

碳基芯片有什么优势?

大家都知道芯片是由大量的晶体管组成的,像房子一样,晶体管就好比一块块的砖头,城訕建设需要大量的房子,而盖房子又需要大量的砖头。我们的信息产业发展刚需要大量的芯片,生产芯片则需要大量的晶体管。

硅和碳在地球上都是普遍存在的,碳基半导体除了成本更低外,它的功耗更低,效率也更高,是一种更好的半导体材料,很可能是下一代晶体管集成电路的最理想材料哦。

假如碳基半导体取得成功,到时候芯片内部的晶体管的栅极(Gate)就不再是硅,而是碳了哦!

2017年的时候,彭练矛的团队就已经研制出了高性能5nm(纳米)栅长碳纳米管CMOS器件,这是当时世界上最小的高性能晶体管,综合性能比最好的硅基晶体管高出了十倍,但是能耗却只有硅材料晶体管25%,当时也刊登在了《自然科学》上。

当然,国外也在研究碳基芯片技术,但中国碳基技术起步比国外早,最近几来年又取得很多突破性的进展,已经大大的提升了中国在世界半导体行业的话语权。

碳基技术能带领“中国芯”崛起吗?还需要光刻机吗?

碳基技术或许真的会在不久的将来得以应用在国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械的这些与国家和人民息息相关重要领域!

碳基芯片换了一种基础材料,晶圆的生产工艺的确不一样了,但生产芯片必备的光刻机应该还是需要的,ASML还是有着绝对的优势,除非发明了更先进的生产工艺,比如用生物科技的方法来生产芯片,在一个特定的环境中,添加特定的“营着液”就可以生长也芯片来?

但是,当我们有了某方面的领先技术后,国外的科技企业自然就会求着与中国合作,到时候,什么ASML光刻机、芯片架构授权、EDA软件等等自然也就会自动送上门了!

当然,我们还是需要推动芯片产业链的发展,务必掌握关键核心技术。总之“中国芯”崛起还是"路漫漫其休远兮,吾将上下而求索”!

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所谓的碳基集成电路,就是以碳纳米管晶体管(简称CNT FET)为核心元件的芯片,前面的回答,对什么是碳纳米管晶体管以及用什么设备加工,避而不谈,所以不请自来,强答一发。

先了解什么是碳纳米管晶体管。


IBM的碳纳米管晶体管的制作过程是:

  • 先在掺有特定杂质(用来改变半导体的导电特性)的硅(Si)衬底上制作出氧化层(通常是二氧化硅,和沙子的主要成分相同,但纯度高得多);
  • 再在氧化层上制作两个金属电极,分别形成源极(Source)和漏极(Drain);
  • 然后将拥有半导体性质的碳纳米管(可以是单层,也可以是多层)放在源极(Source)和漏极(Drain)之间,这个过程中,一定要让碳纳米管和源极、漏极、氧化层形成良好接触。

IBM的碳纳米管晶体管由于研发较早,是现在实验室常用的模型之一。当然,最先出现的总是缺点较多,后来,在IBM的碳纳米管晶体管的基础上,又发展出三种不同结构的碳纳米管晶体管,分别是肖特基势垒型(图2中的a)、类金属-氧化物-半导体(MOS)型(图2中的b)和隧穿型(图2中的c)。


还有长得像水龙管的碳纳米管晶体管,见下图3.


还有许多概念产品,这里不一一列举了,不过这些碳纳米管晶体管万变不离其宗:

  • 都有源极、漏极和栅极等晶体管的基本构件;
  • 碳纳米管是核心器件,硅晶圆从过去的主角(核心材料),退居龙套位置(做衬底),即核心材料变了;

更重要的是,核心材料变了,相应的半导体设备也会被淘汰,现有的光刻机派不上用场,因为碳纳米管是“长出来的”,不是“刻”出来的,ASML现有的技术积累派不上用场,有希望化解我们一直以来在高端光刻机上被卡脖子的问题。

原因很简单,碳纳米管晶体管器件制作,相应的集成电路制造,需要用到新工艺,面临新挑战,国内外站在一条起跑线上。




一、光刻机的主要原理和作用

我们知道光刻机的原理,其实和使用胶卷的相机差不多,利用光源,把电路板照射到涂有光刻胶的硅晶圆片上。于是硅晶圆片上就有了电路图,再能过后续的刻蚀等流程,硅晶圆上就形成了电路图了。

二、碳基芯片,有可能不会采用同样的方式

而光刻机与光刻胶,与硅晶圆片是对应的。如果是碳基芯片,原材料不是再是硅晶圆片了,而是碳材料。

那么以前的用光源来投射电路图的方式适用不适用于碳材料,目前并不知道,但可以预见的是,一定会带来工艺的革新,毕竟硅和碳的光敏、热敏程度是不一样的。

或许不会采用光刻机,也不一定,因为目前并没有大规模的量产出来的碳基芯片,所以工艺会怎么样,也不太清楚,但有变化是一定的。



三、所以碳基芯片发展,可能会产生大变革,这就是中国芯的巨大机会

也正因为原材料的不同,而原材料的不同,导致物理特性的不同,所以生产工艺也不同,所以原本的很多设备、技术都需要革新。

而中国在原本的硅基芯片技术上,处于落后地位,而这种高科技产品和技术,很多时候是一步落后,步步落后的。

所以当碳基芯片来临时,如果我们抓住机会,和别人一起起步,就有可能不落后了,不会再有光刻机卡脖子的现象了,所以碳基芯片这个机会,我们真的要把握住。




可以肯定的是碳基集成电路的加工肯定不会用到光刻机!北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队在碳基半导体制备材料研究领域取得突破性进展,为我国碳基半导体进入规模工业化奠定基础,也为我国芯片制造产业实现“弯道超车”提供巨大潜力。

为什么碳基半导体的制造不用光刻机

传统的硅基芯片的制造过程的本质,就是按照芯片电路设计的要求,通过各种工艺生产在硅晶圆上制造出数以亿计的晶体管,并用电路将晶体管连接起来,从而实现芯片的逻辑运算功能。


硅材料的特性决定了硅基芯片的生产必须经过抛光、光刻、蚀刻、离子注入等一系列复杂的工艺过程,才能在晶圆上制造出晶体管来。而碳基半导体的晶体管用到的是碳纳米管,碳纳米管的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别,所以碳基集成电路的加工一定不会用到光刻机。


碳基半导体可以帮助我国芯片产业实现弯道超车

芯片的制造分为三个步骤,设计、制造、封装测试。

在设计和封装测试环节,无论是通用CPU还是手机芯片,我国已经具备了世界一流的水平。我国在芯片加工工艺和加工设备制造方面的全面落后,造成我国在芯片制造环节远远落后于世界先进水平,尤其是光刻机技术落后于世界领先水平20年。这样巨大的差距,想要依靠常规的手段,在短时间内是无法实现对世界先进水平的赶超的。


碳基半导体技术的研究,我国与世界各国基本上同步开始。北大教授彭练矛的研究成果,一下子让我国在碳基半导体材料制备方面领先全球,为我国在下一代芯片制造技术领域赢得了宝贵的领先地位。

观聊天下的观点:

彭练矛教授的研究成果为我国碳基芯片制造业的建立打下来坚实的基础,我们应该尽快地建立与完善我国的碳基芯片制造产业链,抢占全球碳基芯片产业发展的控制权!


以上为我对该问题的看法,如果喜欢,欢迎点赞和加关注,十分感谢!




感谢您的阅读!

【ASML已成过去式?我国碳基集成电路是否成为我们突破芯片光刻机的希望】

在5月26日,我们发现了一件不明觉厉的事情,北京元芯碳基集成电路研究院宣布,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈!

01背景

我们知道现在的芯片主要是硅,而我们知道高纯的单晶硅是重要的半导体材料,关键是这些关键性的材料都被一些外国给“垄断”。

因此,如果我们使用全新的材料,可能会带来一种全新的芯片时代。其实,碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高。那么,什么是碳基?

其实,碳基材料的内容很广。以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体,实际上,我们熟知的石墨烯,生物碳以及碳纳米管等等都属于碳基材料。

而如何突破碳基材料的瓶颈确实能够让我们花费巨大的时间,财力以及物力。而北京元芯碳基集成电路研究所的突破,实际上对于我国未来芯片领域的基础,材料会有突破性的进展。

02何种突破,它的优势

碳基技术的优势是,能够带来更大效率,更小的功耗,并且在芯片处理中,速度提升,功耗降低,未来更能够运用于多种领域,比如国防,气象,以及我们现在急需要解决的手机芯片,计算机芯片问题。

并且,因为它的特质,甚至于在未来的极端环境中,它依然可以进行作业,为未来的技术发展奠定基础;根据研究院负责人告知,碳基技术芯片可能让我们的手机更流畅,电池更耐用。

我国对于碳基技术研究时间早,甚至于现在的目技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来。这让我们有希望突破技术的限制!

03未来的可能

确实我国芯片技术的制约,实际上我们觉得是在如下几个方面:

芯片的硅晶材料,光刻机,光刻胶以及芯片设计的一些重要涂胶显影机等等。因此,如果我们解决最基础的材料问题,现在芯片的光刻机,光刻胶等等可能会有新的技术替代,更适合碳基材料的设备。

因此,我们猜测的是,我国目前的研究,确实可能打破ASML光刻机的束缚,打破欧美国家芯片的束缚,打造属于我们的芯片技术。

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投稿时间:2020-11-11  最后更新:2020-11-21

标签:基材   集成电路   光刻   晶体管   半导体   芯片   加工   工艺   我国   材料   设备   技术

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