碳基芯片的问世，代表我们芯片制造可以绕过光刻机技术，再也不用担心被极紫外光刻机卡脖子了吗？
我国碳基芯片一经问世，就引起了西方各大媒体的疯狂报道，这项技术，完全可以颠覆整个芯片半导体格局。
中科院：我院成功研发出一款8英寸的石墨烯晶圆。
西方媒体：快快快，中国研制出了石墨烯晶圆。
于是，关于中国成功研制石墨烯晶圆的消息遍布全球。
中科院：我们计划大规模生产，但目前该技术无法实现工业化。
西方媒体：唉，还以为中国弯道超车了。
北大研究团队：成功研制出碳基芯片。
西方媒体：快快快，中国又研发出了碳基芯片。
西方媒体：重大新闻！重大新闻！中国研制出了碳基芯片，该技术的应用，或将绕过光刻机技术，中国将成功在芯片制造中实现弯道超车。
先是中科院宣布研发出石墨烯晶圆，后是北京大学研究团队制作出碳基芯片，其性能远超同规格硅基芯片。
那中国可以弯道超车吗？我们再也不用担心被极紫外光刻机卡脖子了吗？
碳基芯片的研发对于我国来说，是一个重大突破，但不得不说，即使使用碳基芯片，我们也难以摆脱对光刻机的需求。在这项技术的应用上，还是会受到限制。
我们一直使用的是硅基芯片，硅基芯片的制作工艺在多年工业体系的沉淀下早已熟练，但因为其在制作过程中需要用到光刻机，我国的光刻机技术目前最多也就只能做到28nm，国外的光刻机可以做到14nm，在制作精度上我们显然是稍显逊色，要想提高精度就只有引进国外的光刻机进行生产。
当然，现在国外的先进水平可以达到5nm，这不全是光刻机的原因，但不可否认，光刻机是芯片制造技术中的关键一环。
也正是因为光刻机技术的落后，我国在芯片制作上通常处于被卡脖子的状态。
所以，芯片技术一直被卡脖子的问题根本在于：光刻机技术能不能被妥善解决。
自从我国的碳基芯片研制成功以来，对碳基芯片性能的传言不绝于耳，很多媒体都宣称中国碳基芯片的制作不需要借助光刻机就可以实现。要知道，这种设想，意味着我国在芯片制作工艺上前进了一大步，可以直接绕过光刻机技术，实现弯道超车。
一
碳基芯片的“真面目”
那北大的碳基芯片到底如何呢？
碳基芯片的研制在上世纪就已经提出，一直都宣传在应用之后会代替硅基芯片，但因为碳太活泼了而且介电常数又低，这个用碳基芯片来代替硅基芯片的想法一直没有实现。
最早的时候是在金刚石中掺入杂质来制作晶体管，这种操作可以实现比硅半导体更优越的性能。但有一个不可避免的问题就是，金刚石制作成本高，想要实现量产几乎是不可能的，所以就一直没有实现这个设想。
后来才制作出单层石墨烯和单层碳纳米管，这种材料相对于金刚石来说不仅成本更低，而且其本身就是良好的半导体。
碳纳米管就是由呈六边形排列的碳原子一层层重叠之后形成的一种同心的圆管，由于它的结构和石墨的一般片状结构相同，管径和管壁都具有螺旋角，所以其导电性能良好，本身就是一种导电的材料。
并且在导电的过程中电流不会沿着碳分子进行横向的扩散，只能通过轴向传输电流，所以在传输过程中的电损耗比较小，在导电性能上已经可以秒杀必须考虑横向扩散的硅半导体了。
除了导电性能优异之外，碳纳米管还有两个亮点。
1.材料强度高。碳纳米管的材料强度很高，甚至比钢铁还结实，同时这种材料的柔性也特别好，适合做柔性折叠。
2.材料直径小。碳纳米管的直径只有1-3纳米，特别适合做小尺寸的晶体管，能够做成立体控制结构，也有利于电路控制。
世界上以美国IBM为首的各种科研团队一直在研究碳纳米管芯片技术，也有了一些进展。北大科研团队最早发现5纳米级晶体管器件制作，而且最早真正实现了碳基芯片电路，性能超过同规格硅基芯片。
虽然碳基芯片在性能上超过同规格硅基芯片，但制作工艺目前来说不够稳定，在制程上没有已经形成体系的硅基芯片先进。
二
芯片是如何导电的？
先来看看芯片导电的原理是什么样的？
前面提到过，碳基米管它本身是一种性能优异的半导体材料，两端接上金属可以产生接界电压，这种接界电压让电流只能单向流过，类似于普通芯片中的半导体晶体管。
做个简单的比喻，一个球是可以在平面上自由滚动的，但如果是在斜坡上滚动，可能就没有那么容易了。
斜坡的产生可能有两种情况，一种是“凹”字形状，就是中间低两边高。小球想要从一边流向另一边，就必须让凹进去的哪一部分抬高，中间部分和两边在同一水平面时，小球就可以顺利通过。这就需要有一个比较大的推力将中间部分抬上去，我们通常的做法是在中间部位上方加一个电场。
第二种情况就是“凸”字形状，也就是中间高两边低。这种情况下就需要加入一个排斥力，让中间的部分凹下去，形成和两边一样高的平面，这样小球就能在这个平面上顺利通过。
两边一个叫源极（输入端），一个叫漏极（输出端），中间就是一个门，如果这个门打不开，电流就不能通过，一旦给门上施加一定电压，就可以轻松把门打开，实现电流流动。
不管是碳纳米管，还是硅半导体，都是利用这样的原理。
而碳基芯片，就是把中间的那个流通通道换成了碳纳米管，同时两边的源和漏中掺杂的不再是之前硅基芯片中所使用的硅材料，而是一种特殊金属，利用这种特殊的金属材料和碳纳米管之间的接界电压，就可以制作成半导体晶体管。
目前已经成功制成了基于碳纳米管的N型晶体管还是P型晶体管。有了P型管和N型管，制造集成电路的基本零件就凑齐了。
三
碳基芯片是无法产业化的“罪魁祸首”
看起来，碳基芯片的制造原理并没有多难，但这么多年碳基芯片的研发为何一直没有实现产业化？
很重要的原因就是它的工业化生产比硅基芯片难很多。
前面已经提到过，碳太活泼了而且介电常数又低，碳基芯片的制造中，对于碳的提纯就是一个很大的问题。
第一个问题，就是碳纳米管中对于碳元素的提纯。
因为碳比较活泼，所以对它的提纯难度很大。目前的提纯方法主要有两种：一类是基于小分子和水相溶剂进行碳纳米管的提纯和排布，采用小分子吸附在碳纳米管表面，通过色谱层析或双相萃取等方式，实现碳纳米管的提纯，这种方法目前的产率较低，纯度一般低于99.9%。
第二种方式就是基于共轭高分子和有机相溶剂进行提纯，共轭高分子和碳纳米管粉末分散在有机溶剂中，进行超声分散，在这个过程中，包裹了高分子的金属型碳纳米管，相互作用较强，碰撞后容易形成管束。
经过高速的密度梯度离心，包裹了高分子的金属型碳纳米管管束和未被高分子包裹的碳纳米管管束将形成沉淀，稳定分散在溶液中的主要是包裹了高分子的半导体碳纳米管和多余的高分子，从而实现半导体碳纳米管的提纯。
北京大学彭练矛课题组发展了多次分散离心的方法，将半导体纯度提高到99.%以上。这个纯度的碳纳米管才能保障生产出来的芯片性能稳定，产品参数一致，而目前能买到的碳纳米管最大提纯度为99.99%。
所以，在碳纳米管的制作过程中对于碳元素的提纯问题是碳基芯片无法量产的重要原因之一。
第二个难题就是制作过程中元件的组装问题。
碳基芯片制作的第一步就是排列碳纳米管，相当于是要一点一点在光盘上贴显微镜都看不到的瓷砖，并且还得保证瓷砖与瓷砖间的间隙稳定，不能摞在一起，在这种特殊材质上，能做到完美组装，显然没有那么容易，而这一步，也是最重要的一步。
现在中科院已经可以在8寸晶圆上均匀摆放碳纳米管了，可以说我们的这项技术目前处于世界前列。
将碳纳米管排列好之后，就要为其覆盖上绝缘层，以便很好地把碳纳米管理起来。
这个时候，就用到了我们的“卡脖子”技术——光刻机。
光刻机的作用主要就是在碳纳米管制作好之后，辅助完成其装载管道两边的金属电极。利用光刻机在管道两边刻出金属电极的安装位置，之后将电极内置，完成安装。整个操作中，光刻机必不可少。
看到这里应该能明白，不管是使用硅基芯片还是碳基芯片，光刻机的使用都必不可少。即使碳基芯片所使用的材料自带导电性，但其自身所带导电性并不足以满足导电要求，只能说明这种材料在导电过程中可以起到辅助作用。
所以对于碳基芯片的研发，并不能说明我国在芯片制造中摆脱了光刻机的束缚。
但不得不说，碳基芯片的研发，对于我国芯片技术的发展来说，是一个巨大的进步，毕竟这种碳基芯片，其综合性能要远远优于同规格的硅基芯片，目前我们的碳基芯片的主频已经高于主流硅基芯片的主频了。
如果能够掌握碳基芯片的量产技术，按照摩尔定律我们可以在一两年内实现60纳米，甚至是45纳米工艺的制造，因为碳基芯片材料的特殊性，这种工艺的芯片完全可以媲美10纳米或者是7纳米硅基系芯片。
现在最主要的问题就是，我们已经掌握了研制技术，只是还不能实现大规模量产。在制造过程中，对于光刻机的需求不可避免，我们也自然无法通过碳基芯片摆脱光刻机的束缚。
但碳基芯片的制造对于光刻机的要求不是很高，目前我们现有的光刻机就可以满足其生产需要，对于极紫外光刻机的需求，至少要等其演进三代到五代以后。
结语：
碳基芯片确实综合性能优异，在很多方面可以赶超同规格的硅基芯片，但其制造过程中不能避免对于光刻机的使用。
目前碳基芯片的发展还没有达到使用极紫外光刻机的地步，使用现有的光刻机就可以满足其生产需求，但长远来看，对极紫外光刻机的使用也是不可避免的。
光刻机是现代工业生产中躲不开的核心设备，不可以轻易规避。除了生产CPU外，内存条、存储卡、固态硬盘等的制造也会用到光刻机。同时，光刻机中的核心元件在其他平台也会有所利用，所以加紧对光刻机技术的研发才是硬道理。
对于很多国际大厂来说，想要在技术上不被别人卡脖子，就得在前期积极投入对于光刻机技术的研发，同时进行产业化适配。只有这样，才能实现真正的科研领跑、生产领跑，保障自身未来在国际上的话语权。
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