集成電路，又稱芯片，是絕大多數(shù)電子設(shè)備的核心組成部分，被譽(yù)為“工業(yè)糧食”。它不僅在智能手機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、汽車等電子設(shè)備方面得到廣泛的應(yīng)用，在軍事、通信、遙控等方面也不可或缺，對(duì)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等都是必不可少的基礎(chǔ)。

然而，芯片制造又是世界上最為復(fù)雜的制造業(yè)。以采用了20納米工藝的蘋果A8手機(jī)芯片為例，其在不足指甲蓋大小的空間里，包含了20億個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部猶如一座超級(jí)城市。所以芯片被業(yè)界稱為“集人類超精細(xì)加工技術(shù)之大成”。

一個(gè)小小的芯片，是如何誕生的呢？在廣州市黃埔區(qū)中新知識(shí)城，有一家芯片制造企業(yè)——廣州粵芯半導(dǎo)體技術(shù)有限公司，擁有廣州第一條12英寸芯片生產(chǎn)線，也是廣東省及粵港澳大灣區(qū)目前唯一進(jìn)入量產(chǎn)的12英寸芯片生產(chǎn)平臺(tái)。昨日，記者采訪了粵芯半導(dǎo)體市場(chǎng)及營(yíng)銷副總裁李海明博士。

芯片制造“點(diǎn)沙成金”五步走

1.打造地基——晶圓

硅是芯片最重要的基礎(chǔ)材料，是地球上第二豐富的資源，但更多以二氧化硅，也就是沙子的形態(tài)儲(chǔ)存在地球上。制造芯片，首先要從二氧化硅提煉出高純度的硅晶體，制成硅錠，再切割成薄脆的圓盤形狀，拋光后形成晶圓，這相當(dāng)于芯片的“地基”。

李海明說(shuō)，12英寸晶圓是指晶圓的直徑為12英寸，其他常見的晶圓尺寸，還有8英寸和6英寸。“晶圓尺寸越大，在同一個(gè)圓片上生產(chǎn)切割的芯片就越多，但同時(shí)對(duì)材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的要求也會(huì)更高。目前粵芯半導(dǎo)體主要生產(chǎn)12英寸晶圓?！?/p>

芯片就是以晶圓為“地基”，在上面“建房子”，把所需的電路和器件“建”在硅片上?！氨热缯f(shuō)，我們可以在上面沉積一層金屬薄膜，再把這層薄膜刻出圖形，留下一個(gè)金屬連線的圖案，也就是我們需要的電路。而在這層圖形上面還可以再做另一層，每層之間還可以做出互聯(lián)?！敝袊?guó)科協(xié)首席科學(xué)傳播專家張宇識(shí)說(shuō)。

2.光刻

由于芯片內(nèi)的距離以納米為單位，在這么小的范圍內(nèi)布一根根超細(xì)的電線是不現(xiàn)實(shí)的，所以芯片制造需要用到光刻工藝。

首先，在晶圓上涂一層特殊的光刻膠，再將包含數(shù)十億個(gè)電路元件的芯片藍(lán)圖制作成掩膜，利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，被光照的地方變得可溶于水，經(jīng)過(guò)顯影清洗后留下的圖案與掩膜上一致。再用特制的化學(xué)藥水蝕刻暴露出來(lái)的晶圓，蝕刻完成后，清除所有光刻膠，便得到縱橫交錯(cuò)的電路溝槽。

3.摻雜

所謂摻雜，是通過(guò)離子注入，賦予硅晶體管的特性。為了改變某些區(qū)域的導(dǎo)電性，覆蓋著光刻膠的晶圓經(jīng)過(guò)離子束（帶正電荷或負(fù)電荷的原子）轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(zhì)（高速離子沖進(jìn)未被光刻膠覆蓋的硅的表面），硅里進(jìn)入了雜質(zhì)，便會(huì)改變某些區(qū)域硅的導(dǎo)電性。

4.薄膜沉積

通過(guò)化學(xué)或者物理氣相金屬沉積，再重復(fù)光刻和蝕刻工藝，進(jìn)行金屬連接。一個(gè)正常運(yùn)作的芯片需要連接數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的傳導(dǎo)線路，包含幾十層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)的形成，都離不開光刻和蝕刻。平面上看，像密集交織的高速公路；立體上看，像是擁有許多房間、樓宇的“超級(jí)城市”。

5.封裝與測(cè)試

封裝環(huán)節(jié)，即把裸片放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來(lái)，然后固定包裝成為一個(gè)整體。封裝后測(cè)試，即對(duì)已制造完成的芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能的確認(rèn)，以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。

國(guó)產(chǎn)芯片需要補(bǔ)哪些短板

EDA、IP和設(shè)計(jì)服務(wù)

從上述制造工藝開始看出，掩膜，即芯片藍(lán)圖的復(fù)雜程度，是決定芯片性能的關(guān)鍵。

其中，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有一家不得不提的“圖紙”提供商——英國(guó)ARM公司。它是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）提供商，全世界超過(guò)95%的智能手機(jī)和平板電腦都采用ARM架構(gòu)，包括蘋果、華為。

根據(jù)自身產(chǎn)品的性能需求，在“圖紙”上進(jìn)行進(jìn)一步改造，需要用到專門的設(shè)計(jì)軟件，統(tǒng)稱為EDA軟件。在EDA軟件全球市場(chǎng)中，德國(guó)以及美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先。EDA、IP和設(shè)計(jì)服務(wù)，是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)源頭，也是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

極紫外線光刻機(jī)

制造芯片需要大量精致的光學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)以及精密的加工技術(shù)。其中的高精度光刻機(jī)，更是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的命門之所在。目前，全球僅有極少數(shù)的光刻機(jī)設(shè)備廠商能夠研制出高端光刻機(jī)，而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機(jī)設(shè)備高達(dá)八成的市場(chǎng)份額。

該公司最先進(jìn)的EUV（極紫外線）光刻機(jī)已經(jīng)能夠制造7納米以下制程的芯片。在這臺(tái)光刻機(jī)中，每秒在真空環(huán)境中，從底部容器流出5萬(wàn)滴融化的錫液，激光束照射每一滴液體產(chǎn)生等離子體，從而釋放出更短的波長(zhǎng)，產(chǎn)生極紫外線，通過(guò)超高精度的反射鏡引導(dǎo)光線。這臺(tái)光刻機(jī)也被稱為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，是地球上最精密的儀器之一。

去年國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量達(dá)2018億塊

過(guò)去幾年，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量大增。以2019年數(shù)據(jù)為例，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量達(dá)到2018億塊，同比增長(zhǎng)16%，不過(guò)在核心芯片方面自給率仍然很低，不足3%。

“我們和國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)相比，比如英特爾、三星，大概有2-3個(gè)世代以上的差異?！崩詈Ｃ魈寡?，目前粵芯50%以上的原材料晶圓是日本提供的，薄膜、刻蝕、擴(kuò)散等生產(chǎn)設(shè)備的制造技術(shù)幾乎都掌握在國(guó)外廠商手里。

大灣區(qū)是芯片需求高地

廣東是中國(guó)主要的集成電路元器件市場(chǎng)和重要的電子整機(jī)生產(chǎn)基地，占據(jù)60%以上的集成電路市場(chǎng)需求。

“粵港澳大灣區(qū)最大的優(yōu)勢(shì)是，在這里能找到不同等級(jí)的電子產(chǎn)品。從廣州到東莞再到深圳，這一帶是中國(guó)重要的消費(fèi)型電子產(chǎn)品制造發(fā)源地。珠江另一岸，從廣州到佛山、中山到珠海，這一帶又是中國(guó)非常重要的大中型家電生產(chǎn)基地。所以，粵港澳大灣區(qū)是所有電子行業(yè)企業(yè)都能夠找到貼近市場(chǎng)、又找到后端應(yīng)用資源的地方?！崩詈Ｃ髡f(shuō)。

2018年底，廣州市出臺(tái)《加快發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的若干措施》，明確將集成電路作為廣州市產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)。廣州擁有泰斗微電子、潤(rùn)芯、硅芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，以及興森快捷、安捷利、風(fēng)華芯電、新星微電子等一批封裝測(cè)試企業(yè)，粵芯項(xiàng)目更是填補(bǔ)芯片制造空白。

粵芯半導(dǎo)體逆勢(shì)增資

疫情是否對(duì)粵芯的生產(chǎn)造成影響？李海明表示，2020年第一季度，粵芯半導(dǎo)體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下，超額完成了預(yù)計(jì)生產(chǎn)出貨目標(biāo)——首季產(chǎn)出高出預(yù)期25%。

今年2月，粵芯半導(dǎo)體二期項(xiàng)目成功擴(kuò)產(chǎn)簽約，新增投資65億元?；浶景雽?dǎo)體逆勢(shì)增資擴(kuò)產(chǎn)為發(fā)展按下“啟動(dòng)鍵”的同時(shí)，也摁下“加速鍵”，朝著釋放產(chǎn)能、滿足粵港澳大灣區(qū)芯片市場(chǎng)需求的方向加速。

如果硅基走到了盡頭，那么全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須找到新的材料“續(xù)命”。2009年，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖委員會(huì)(ITRS)將碳基納米材料列入延續(xù)摩爾定律的未來(lái)集成電路技術(shù)選項(xiàng)，但是在其后的時(shí)間里，碳納米材料的研究進(jìn)展并沒有給業(yè)界交出滿意答卷。

近日，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)系教授彭練矛和張志勇教授團(tuán)隊(duì)宣布他們把碳基半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推進(jìn)了一大步。5月22日，該團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》(Science)雜志發(fā)表《用于高性能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體碳納米管平行陣列》論文，介紹了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長(zhǎng)期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的問題，這個(gè)方法的成果令業(yè)界振奮，但從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化還必須經(jīng)歷漫長(zhǎng)的路。

高性能碳納米管的重大飛躍

每一種技術(shù)都有它的生命周期，現(xiàn)有的硅基芯片制造技術(shù)即將觸碰其極限，碳納米管技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾技術(shù)的重要選項(xiàng)之一。

相對(duì)于傳統(tǒng)的硅基CMOS晶體管，碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優(yōu)勢(shì)。IBM的理論計(jì)算表明，若完全按照現(xiàn)有二維平面框架設(shè)計(jì)，碳管技術(shù)相較硅基技術(shù)具有15代、至少30年以上的優(yōu)勢(shì)。斯坦福大學(xué)的系統(tǒng)層面的模擬表明，碳管技術(shù)還有望將常規(guī)的二維硅基芯片技術(shù)發(fā)展成為三維芯片技術(shù)，將目前的芯片綜合性能提升1000倍以上。

業(yè)界對(duì)碳納米管寄予厚望，2017年在臺(tái)積電IEDM大會(huì)上，臺(tái)積電CTO孫元成就報(bào)告了關(guān)于碳納米管的消息。

但碳管技術(shù)“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”，碳基在理論上和模擬層面的理想值曾讓IBM和英特爾為此進(jìn)行了很多年的探索，但是都遇到了瓶頸。2005年，Intel的器件專家發(fā)表論文，結(jié)論是無(wú)法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件，其后Intel放棄了碳基集成電路技術(shù)。在技術(shù)路線上，IBM與英特爾都選擇了傳統(tǒng)的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。

彭練矛院士和張志勇團(tuán)隊(duì)在2001年進(jìn)入該領(lǐng)域，選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的“無(wú)摻雜制備技術(shù)”。在2017年首次制備出柵長(zhǎng)5納米的碳管晶體管這一世界上迄今為止最小的高性能晶體管，綜合性能比當(dāng)時(shí)最好的硅基晶體管領(lǐng)先10倍，接近了量子極限，該成果的論文發(fā)表在2017年的《科學(xué)》雜志上。

2018年，該團(tuán)隊(duì)再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，能夠滿足未來(lái)超低功耗集成電路的需要，為超低功耗納米電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該論文發(fā)表在2018年的《科學(xué)》雜志上。

在今年5月22日發(fā)表在《科學(xué)》雜志的論文上，彭練矛院士和張志勇教授團(tuán)隊(duì)闡述了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。這個(gè)方法解決了長(zhǎng)期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的材料純度、密度和面積問題，純度達(dá)到了99.99997%左右，密度從5納米到10納米，每微米100根到200根碳納米管，這個(gè)材料基本上具備了做大規(guī)模集成電路的可能性。

在此論文發(fā)表后，杜克大學(xué)教授Aaron Franklin說(shuō)，10年前他幫助IBM公司確定了碳納米管純度和密度的目標(biāo)，當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為這無(wú)法實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在彭練矛和張志勇團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了突破，“這確實(shí)是一項(xiàng)了不起的成就，是高性能碳納米管晶體管的重大飛躍?！盇aron Franklin表示。

北京碳基集成電路研究院的技術(shù)人員向記者表示，碳基技術(shù)有著比硅基技術(shù)更優(yōu)的性能和更低的功耗，性能功耗綜合優(yōu)勢(shì)在5到10倍，這意味著碳基芯片性能比相同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片領(lǐng)先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當(dāng)于28納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實(shí)現(xiàn)等同于7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片。這為已經(jīng)走在極限值邊緣的全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打開了另外一扇大門。

對(duì)于彭練矛院士團(tuán)隊(duì)的突破，元禾璞華管理合伙人、投委會(huì)主席陳大同表示：“彭院士團(tuán)隊(duì)對(duì)于碳基半導(dǎo)體的研究絕對(duì)是世界級(jí)原創(chuàng)性技術(shù)，具有前瞻性，未來(lái)在半導(dǎo)體材料和芯片領(lǐng)域有非常大的優(yōu)勢(shì)和機(jī)會(huì)?！?019年，中國(guó)科學(xué)院微電子所葉甜春所長(zhǎng)在參觀完4英寸碳基半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)線時(shí)曾表示：“碳基半導(dǎo)體的研究和工業(yè)化實(shí)踐是中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可缺少的一個(gè)重要組成部分?！?/p>

碳基半導(dǎo)體需穿越“死亡谷”

世界的進(jìn)步需要科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)規(guī)律和新理論，但從一扇窗變成一條新路，需要龐大的創(chuàng)新鏈齊心協(xié)力。在硅基的技術(shù)路線上我們一直跟隨，在碳基路線上中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)從理論和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了世界級(jí)的突破。接下來(lái)我們?cè)撊绾螐膶?shí)驗(yàn)室的“123”，穿過(guò)“456”的“死亡谷”，進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化的“789”呢?

記者還記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時(shí)他們的焦慮：一個(gè)顛覆性技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界，中間還需要進(jìn)行工程化研究，只有工程化、成熟化的技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界才敢接手。

北京碳基集成電路研究院于2018年9月正式登記成立，它的發(fā)起單位有北京大學(xué)、中科院微電子所等多家單位，彭練矛院士擔(dān)任院長(zhǎng)。業(yè)內(nèi)人士都知道著名的比利時(shí)IMEC(大學(xué)校際微電子研究中心)實(shí)驗(yàn)室，早期是由政府投資，現(xiàn)在其80%的收入來(lái)自企業(yè)，這個(gè)頂級(jí)的實(shí)驗(yàn)室對(duì)于全球集成電路發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。包括英特爾、ARM、臺(tái)積電等許多業(yè)界巨頭都是它的客戶，這些巨頭的新技術(shù)在進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)線之前，其新技術(shù)工程化都交給IMEC來(lái)完成。碳基集成電路的發(fā)展同樣需要這樣的機(jī)構(gòu)。目前來(lái)看，北京碳基集成電路研究院的目標(biāo)是希望成為碳基集成電路產(chǎn)業(yè)的“IMEC”。

彭練矛對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示：“北京碳基集成電路研究院希望能夠在工程化方向上不斷前進(jìn)，做技術(shù)成熟度由4到8的事情，最終將技術(shù)轉(zhuǎn)給企業(yè)。產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的事情一定要由公司來(lái)做，研究院是做技術(shù)研發(fā)的?！?/p>

應(yīng)該說(shuō)，這次北京碳基集成電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世，將碳基技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)化推進(jìn)了一大步，那么下一步還有哪些挑戰(zhàn)，還有哪些“死亡谷”需要穿越?

行業(yè)分析人士對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示：“這是很令人興奮的事情，但是從論文到新技術(shù)再到產(chǎn)品到商品有很長(zhǎng)的路要走，需要進(jìn)一步加大研發(fā)。目前已經(jīng)有很多新材料被研發(fā)出來(lái)，包括氮化鎵、碳化硅等，但從長(zhǎng)期來(lái)看，硅還是難以被取代的?！?/p>

半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)分析人士韓曉敏認(rèn)為，碳基是集成電路重要發(fā)展方向之一，但是目前產(chǎn)業(yè)生態(tài)中愿意跟進(jìn)的企業(yè)還不多。還需進(jìn)一步突破成本限制，在設(shè)備和器件等工藝方面還需建立成熟的規(guī)范流程，在產(chǎn)品方向上，與硅基芯片結(jié)合不緊密的領(lǐng)域有望最先突破。

從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化，中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰(zhàn)?本源量子是中國(guó)一家量子計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司，本源量子副總經(jīng)理張輝在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，從科研品到工業(yè)品，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉(zhuǎn)變以及與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容等?！芭c現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容至關(guān)重要，如果現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從儀器、設(shè)備、工藝流程上可大部分借用，那么將大大提升產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)的速度?！彼f(shuō)。

事實(shí)上，硅基集成電路產(chǎn)業(yè)之所以有今天的豐富、成熟生態(tài)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都投入巨大。英特爾每年的研發(fā)投入占銷售收入超過(guò)20%，臺(tái)積電過(guò)去5年的研發(fā)投入是3440億元。也正是因?yàn)槿绱?，產(chǎn)業(yè)鏈很難“棄硅另起爐灶”，所以兼容至關(guān)重要。

那么硅基生態(tài)鏈上相關(guān)技術(shù)與工藝設(shè)備流程，比如光刻機(jī)、軟件設(shè)計(jì)工具、測(cè)試儀器、生產(chǎn)工藝流程等，在碳基上是否能用?彭練矛院士給出的答案是：“使用率大約能達(dá)到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨(dú)建立?！?/p>

目前解決了碳納米材料的純度、密度問題?！跋乱徊竭€需要確保材料的工藝穩(wěn)定性和均勻性，更重要的是和其他器件和IC制備的良好兼容性，這是一個(gè)綜合的事情?，F(xiàn)代芯片制備有上千個(gè)步驟，其中一步做不好，就沒有好的產(chǎn)品。最后是一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的問題，材料、器件、芯片設(shè)計(jì)等密不可分?！迸砭毭f(shuō)。

碳納米管未來(lái)有很好的應(yīng)用前景?！坝捎谔蓟馁|(zhì)的特殊性，它能讓電路做到像創(chuàng)可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械如果應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，將使患者擁有更加舒適的檢查體驗(yàn);在一些高輻射、高溫度的極端環(huán)境里，碳基材質(zhì)所制造出的機(jī)器人可以更好地代替人類執(zhí)行危險(xiǎn)系數(shù)高的任務(wù);碳基技術(shù)若應(yīng)用到智能手機(jī)上，因其擁有更低的功耗，將使待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)?！睆堉居孪蛴浾呓榻B說(shuō)。

5月26日，北京碳基集成電路研究院舉行成果發(fā)布儀式。TCL等幾家大企業(yè)的工業(yè)研究院相關(guān)人員也有到場(chǎng)，工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)是什么?“工業(yè)界還是關(guān)注技術(shù)何時(shí)能夠成熟到可以被使用，包括成本和可靠性等工程問題?！迸砭毭硎荆@本就是企業(yè)該做的。

而工業(yè)界很難在一項(xiàng)技術(shù)還沒看到投資回報(bào)時(shí)進(jìn)行投入，如果碳基技術(shù)想要工程化，需要北京碳基集成電路研究院成為碳基領(lǐng)域的“IMEC”。記者了解到，如果要繼續(xù)往前推進(jìn)，北京碳基集成電路研究院按照200人的規(guī)模，再加上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，每年需要的資金約為2億元，并且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元。但是直到現(xiàn)在，還沒有企業(yè)關(guān)注到該研究院的價(jià)值。

不久前，阿里巴巴宣布未來(lái)3年將投入2000億元來(lái)研發(fā)芯片、云操作系統(tǒng)等，而騰訊云宣布將投入5000億元進(jìn)行新基建相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。在云計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的當(dāng)下，從云操作系統(tǒng)到芯片全線布局，正在成為越來(lái)越多的巨頭的選擇。目前阿里巴巴已經(jīng)有了“平頭哥”這家芯片公司，那么未來(lái)騰訊有沒有可能也會(huì)進(jìn)入芯片領(lǐng)域呢?如果有可能，期望中國(guó)的巨頭企業(yè)能夠看到這樣的信息，能夠關(guān)注到“碳基”集成電路的新機(jī)會(huì)。

5月31日，受到大基金第二次投資的中芯國(guó)際發(fā)布公告表示，大唐及國(guó)家集成電路基金的聯(lián)屬公司可能參與建議人民幣股份發(fā)行。記者注意到，在各路資金紛紛涌入半導(dǎo)體行業(yè)之際，前期處于漲幅優(yōu)勢(shì)地位的半導(dǎo)體指數(shù)又一次進(jìn)入調(diào)整，兩周跌幅超10%。

各路資本入場(chǎng)

天眼查數(shù)據(jù)顯示，截至5月26日，今年以來(lái)我國(guó)共新增20021家經(jīng)營(yíng)范圍含“芯片、集成電路、MCU（微控制單元）”的企業(yè)，5月以來(lái)則新增3922家。另外，新增注冊(cè)資本方面，5月至今，國(guó)內(nèi)便有248家前述三類半導(dǎo)體企業(yè)新增注冊(cè)資本，其中增資額在千萬(wàn)元級(jí)的不在少數(shù)。

與此同時(shí)，還有不少上市公司紛紛跨界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，如太龍照明、天通股份、木林森、中潛股份、正業(yè)科技等。

半導(dǎo)體企業(yè)的快速擴(kuò)張同時(shí)，各路資本紛紛加大對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的投入。如比亞迪5月底公告表示，旗下比亞迪半導(dǎo)體以增資擴(kuò)股的方式，引入了紅杉中國(guó)基金等多家國(guó)內(nèi)外投資機(jī)構(gòu)合計(jì)19億元的戰(zhàn)略投資，投后估值近百億元。

值得注意的是，大基金一期已投資滬硅產(chǎn)業(yè)、雅克科技、安集科技等半導(dǎo)體材料公司。國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資二期股份有限公司注冊(cè)資本達(dá)2041.5億元，較一期的1327億元的投資規(guī)模明顯加大。

天風(fēng)證券分析，從中長(zhǎng)期維度上看，擴(kuò)張半導(dǎo)體行業(yè)成長(zhǎng)的邊界因子依然存在，下游應(yīng)用端以5G/新能源汽車/云服務(wù)器為主線，具體到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，“國(guó)產(chǎn)替代”下的 “成長(zhǎng)性”優(yōu)于“周期性”。

泊通投資最新策略觀點(diǎn)認(rèn)為，從歷史角度來(lái)看，我國(guó)半導(dǎo)體等高端科技和高端制造板塊的發(fā)展，預(yù)計(jì)將是螺旋上升的趨勢(shì)。在此背景下，半導(dǎo)體等相關(guān)板塊最好的投資策略應(yīng)當(dāng)是在不景氣的周期里以相對(duì)低的估值買入，同時(shí)在高估值、高預(yù)期的環(huán)境里適當(dāng)兌現(xiàn)，做“螺旋上升”的投資邏輯，并關(guān)注目標(biāo)公司的自由現(xiàn)金流折現(xiàn)情況。

國(guó)信證券提醒，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是涉及多方面的，國(guó)產(chǎn)化的第一步是先擺脫“卡脖子”，然后才是全方位國(guó)產(chǎn)化。

“市場(chǎng)對(duì)芯片設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體設(shè)備的認(rèn)識(shí)已經(jīng)很充分。而對(duì)半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)認(rèn)識(shí)不夠，資本市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體制造是被動(dòng)型忽視的?！眹?guó)信證券認(rèn)為。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，整個(gè)芯片要做出來(lái)包括了四個(gè)重要的步驟：設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試。目前行業(yè)的大部分觀點(diǎn)認(rèn)為，在芯片設(shè)計(jì)方面，華為海思和紫光展銳已逐步走向了前列，能與高通、聯(lián)發(fā)科等看齊。

芯片國(guó)產(chǎn)化替代非一蹴而就

國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)自主可控是一大趨勢(shì)，但真正實(shí)現(xiàn)有一段較長(zhǎng)的路要走。半導(dǎo)體領(lǐng)域是一個(gè)復(fù)雜精細(xì)而又分工明確的行業(yè)。所謂的四個(gè)環(huán)節(jié)，就需要全球各地眾多公司協(xié)同完成，即使是上述榜單中提及的全球前十位的半導(dǎo)體制造商，并非所有都能自己設(shè)計(jì)+制造芯片。據(jù)了解，目前在全球，能自己完成設(shè)計(jì)與制造的廠商只有少數(shù)，例如英特爾、德州儀器和三星。

相信不少人都聽說(shuō)過(guò)ARM。在絕大部分移動(dòng)電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)芯片就采用ARM架構(gòu)，各大公司高通、蘋果、華為等芯片制作前都必須經(jīng)過(guò)ARM公司授權(quán)。由此可見，“全國(guó)產(chǎn)化”并不是投資幾臺(tái)設(shè)備就能達(dá)成。

話說(shuō)回來(lái)，中國(guó)半導(dǎo)體銷售額占全球市場(chǎng)的三分之一，是最大的市場(chǎng)。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的推廣，半導(dǎo)體需求持續(xù)增長(zhǎng)。這也是全球芯片“巨頭”不能失去中國(guó)市場(chǎng)的原因。

6月1日，上交所已受理中芯國(guó)際集成電路制造有限公司科創(chuàng)板上市申請(qǐng)，保薦機(jī)構(gòu)為海通證券和中金公司。

招股書顯示，中芯國(guó)際本次初始發(fā)行的股票數(shù)量不超過(guò)168,562.00萬(wàn)股，不涉及股東公開發(fā)售股份，不超過(guò)初始發(fā)行后股份總數(shù)的25.00%，每股面值0.004美元，募集資金總額高達(dá)200億元。實(shí)際募集資金扣除發(fā)行費(fèi)用后的凈額計(jì)劃投入3個(gè)項(xiàng)目：12英寸芯片SN1項(xiàng)目、先進(jìn)及成熟工藝研發(fā)項(xiàng)目?jī)?chǔ)備資金、以及補(bǔ)充流動(dòng)資金。

Source：公告截圖

其中，“12英寸芯片SN1項(xiàng)目”的募集資金投資額為800,000.00萬(wàn)元，該項(xiàng)目載體為中芯國(guó)際的重要子公司中芯南方。中芯南方成立于2016年12月，該項(xiàng)目規(guī)劃月產(chǎn)能3.5萬(wàn)片，已建設(shè)月產(chǎn)能6000片，是中國(guó)大陸第一條FinFET工藝生產(chǎn)線，也是中芯國(guó)際14納米及以下先進(jìn)工藝研發(fā)和量產(chǎn)的主要承載平臺(tái)。

募集資金將用于將該生產(chǎn)線的月產(chǎn)能從6000片擴(kuò)充到3.5萬(wàn)片。中芯國(guó)際表示，14納米是中國(guó)大陸已量產(chǎn)、最先進(jìn)的集成電路晶圓代工工藝，14納米以下工藝目前在中國(guó)大陸尚處于研發(fā)階段，繼續(xù)完善14納米工藝并開展14納米以下工藝技術(shù)研發(fā)，對(duì)于進(jìn)一步保持并提升公司在中國(guó)大陸集成電路晶圓代工領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

而先進(jìn)及成熟工藝研發(fā)項(xiàng)目?jī)?chǔ)備資金項(xiàng)目的募集資金投資額為 400,000.00萬(wàn)元，用于工藝研發(fā)以提升公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

6月1日，上交所官網(wǎng)披露，正式受理了盛美半導(dǎo)體設(shè)備（上海）股份有限公司（下稱“盛美半導(dǎo)體”）的科創(chuàng)板上市申請(qǐng)。

資料顯示，盛美半導(dǎo)體成立于2005年，主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品包括半導(dǎo)體清洗設(shè)備、半導(dǎo)體電鍍?cè)O(shè)備和先進(jìn)封裝濕法設(shè)備等，盛美半導(dǎo)體由半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商ACM RESEARCH INC（以下簡(jiǎn)稱“美國(guó)ACMR”）出資設(shè)立。美國(guó)ACMR于1998年1月在美國(guó)加利福尼亞州成立，并于2017年11月在美國(guó)納斯達(dá)克上市。

在股東結(jié)構(gòu)方面，持股股數(shù)前五名的股東分別為美國(guó)ACMR持股數(shù)量為35,769.23萬(wàn)股，持股比例為91.67%；芯維咨詢持股數(shù)量為475.62萬(wàn)股，持股比例為1.22%；上海集成電路產(chǎn)投持股數(shù)量為461.54萬(wàn)股，持股比例為1.18%；浦東產(chǎn)投持股數(shù)量為461.54萬(wàn)股，持股比例為1.18%；海通旭初持股數(shù)量為230.77萬(wàn)股，持股比例為0.59%。

總結(jié)報(bào)告指出，美國(guó)ACMR為控股型公司，除了持有盛美半導(dǎo)體股權(quán)外，還持有ACM Research (Cayman), Inc 100%的股權(quán)，而美國(guó)ACMR和ACM Research (Cayman), Inc均未實(shí)際從事業(yè)務(wù)。2019年6月，美國(guó)ACMR官方宣布，尋求在未來(lái)三年內(nèi)將其位于上海的主要運(yùn)營(yíng)子公司盛美半導(dǎo)體在科創(chuàng)板上市，并擬引入第三方投資者。

招股書顯示，盛美半導(dǎo)體本次公開發(fā)行股票數(shù)量不超過(guò)4335.58萬(wàn)股，占發(fā)行后公司總股本的比例不低于10.00%，擬募資18億元，用于盛美半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)與制造中心（7億元）、盛美半導(dǎo)體高端半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目（4.5億元）和補(bǔ)充流動(dòng)資金（6.5億元）。 盛美半導(dǎo)體稱，A股股票上市后，將與該公司控股股東美國(guó)ACMR分別在科創(chuàng)板和美國(guó)納斯達(dá)克股票市場(chǎng)掛牌上市。

其中，盛美半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)與制造中心項(xiàng)目總投資額為人民幣88,245萬(wàn)元，擬使用募集資金投入70,000 萬(wàn)元。擬在上海臨港新片區(qū)新建半導(dǎo)體集成電路設(shè)備研發(fā)與制造中心，項(xiàng)目實(shí)施主體為公司全資子公司盛帷上海。該項(xiàng)目將于 2023 年投入使用，公司全部產(chǎn)能將遷移至該新建研發(fā)制造中心，為公司今后的快速發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

盛美半導(dǎo)體高端半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目總投資額為人民幣45,000.00，擬使用募集資金投入45,000.00。將圍繞盛美半導(dǎo)體躋身綜合性國(guó)際集成電路裝備企業(yè)第一梯隊(duì)行列的戰(zhàn)略目標(biāo)，針對(duì)更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，利用現(xiàn)有研發(fā)體系，開展半導(dǎo)體清洗設(shè)備、半導(dǎo)體電鍍?cè)O(shè)備、先進(jìn)封裝濕法設(shè)備，以及無(wú)應(yīng)力拋光設(shè)備、立式爐管設(shè)備等高端工藝設(shè)備的升級(jí)迭代和產(chǎn)品拓展，從而擴(kuò)展和建立起濕法和干法設(shè)備并舉的種類齊全的產(chǎn)品線。

集成電路，又稱芯片，是絕大多數(shù)電子設(shè)備的核心組成部分，被譽(yù)為“工業(yè)糧食”。它不僅在智能手機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、汽車等電子設(shè)備方面得到廣泛的應(yīng)用，在軍事、通信、遙控等方面也不可或缺，對(duì)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等都是必不可少的基礎(chǔ)。

然而，芯片制造又是世界上最為復(fù)雜的制造業(yè)。以采用了20納米工藝的蘋果A8手機(jī)芯片為例，其在不足指甲蓋大小的空間里，包含了20億個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部猶如一座超級(jí)城市。所以芯片被業(yè)界稱為“集人類超精細(xì)加工技術(shù)之大成”。

一個(gè)小小的芯片，是如何誕生的呢？在廣州市黃埔區(qū)中新知識(shí)城，有一家芯片制造企業(yè)——廣州粵芯半導(dǎo)體技術(shù)有限公司，擁有廣州第一條12英寸芯片生產(chǎn)線，也是廣東省及粵港澳大灣區(qū)目前唯一進(jìn)入量產(chǎn)的12英寸芯片生產(chǎn)平臺(tái)。昨日，記者采訪了粵芯半導(dǎo)體市場(chǎng)及營(yíng)銷副總裁李海明博士。

芯片制造“點(diǎn)沙成金”五步走

1.打造地基——晶圓

硅是芯片最重要的基礎(chǔ)材料，是地球上第二豐富的資源，但更多以二氧化硅，也就是沙子的形態(tài)儲(chǔ)存在地球上。制造芯片，首先要從二氧化硅提煉出高純度的硅晶體，制成硅錠，再切割成薄脆的圓盤形狀，拋光后形成晶圓，這相當(dāng)于芯片的“地基”。

李海明說(shuō)，12英寸晶圓是指晶圓的直徑為12英寸，其他常見的晶圓尺寸，還有8英寸和6英寸。“晶圓尺寸越大，在同一個(gè)圓片上生產(chǎn)切割的芯片就越多，但同時(shí)對(duì)材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的要求也會(huì)更高。目前粵芯半導(dǎo)體主要生產(chǎn)12英寸晶圓?！?/p>

芯片就是以晶圓為“地基”，在上面“建房子”，把所需的電路和器件“建”在硅片上?！氨热缯f(shuō)，我們可以在上面沉積一層金屬薄膜，再把這層薄膜刻出圖形，留下一個(gè)金屬連線的圖案，也就是我們需要的電路。而在這層圖形上面還可以再做另一層，每層之間還可以做出互聯(lián)?！敝袊?guó)科協(xié)首席科學(xué)傳播專家張宇識(shí)說(shuō)。

2.光刻

由于芯片內(nèi)的距離以納米為單位，在這么小的范圍內(nèi)布一根根超細(xì)的電線是不現(xiàn)實(shí)的，所以芯片制造需要用到光刻工藝。

首先，在晶圓上涂一層特殊的光刻膠，再將包含數(shù)十億個(gè)電路元件的芯片藍(lán)圖制作成掩膜，利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，被光照的地方變得可溶于水，經(jīng)過(guò)顯影清洗后留下的圖案與掩膜上一致。再用特制的化學(xué)藥水蝕刻暴露出來(lái)的晶圓，蝕刻完成后，清除所有光刻膠，便得到縱橫交錯(cuò)的電路溝槽。

3.摻雜

所謂摻雜，是通過(guò)離子注入，賦予硅晶體管的特性。為了改變某些區(qū)域的導(dǎo)電性，覆蓋著光刻膠的晶圓經(jīng)過(guò)離子束（帶正電荷或負(fù)電荷的原子）轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(zhì)（高速離子沖進(jìn)未被光刻膠覆蓋的硅的表面），硅里進(jìn)入了雜質(zhì)，便會(huì)改變某些區(qū)域硅的導(dǎo)電性。

4.薄膜沉積

通過(guò)化學(xué)或者物理氣相金屬沉積，再重復(fù)光刻和蝕刻工藝，進(jìn)行金屬連接。一個(gè)正常運(yùn)作的芯片需要連接數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的傳導(dǎo)線路，包含幾十層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)的形成，都離不開光刻和蝕刻。平面上看，像密集交織的高速公路；立體上看，像是擁有許多房間、樓宇的“超級(jí)城市”。

5.封裝與測(cè)試

封裝環(huán)節(jié)，即把裸片放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來(lái)，然后固定包裝成為一個(gè)整體。封裝后測(cè)試，即對(duì)已制造完成的芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能的確認(rèn)，以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。

國(guó)產(chǎn)芯片需要補(bǔ)哪些短板

EDA、IP和設(shè)計(jì)服務(wù)

從上述制造工藝開始看出，掩膜，即芯片藍(lán)圖的復(fù)雜程度，是決定芯片性能的關(guān)鍵。

其中，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有一家不得不提的“圖紙”提供商——英國(guó)ARM公司。它是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）提供商，全世界超過(guò)95%的智能手機(jī)和平板電腦都采用ARM架構(gòu)，包括蘋果、華為。

根據(jù)自身產(chǎn)品的性能需求，在“圖紙”上進(jìn)行進(jìn)一步改造，需要用到專門的設(shè)計(jì)軟件，統(tǒng)稱為EDA軟件。在EDA軟件全球市場(chǎng)中，德國(guó)以及美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先。EDA、IP和設(shè)計(jì)服務(wù)，是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)源頭，也是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

極紫外線光刻機(jī)

制造芯片需要大量精致的光學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)以及精密的加工技術(shù)。其中的高精度光刻機(jī)，更是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的命門之所在。目前，全球僅有極少數(shù)的光刻機(jī)設(shè)備廠商能夠研制出高端光刻機(jī)，而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機(jī)設(shè)備高達(dá)八成的市場(chǎng)份額。

該公司最先進(jìn)的EUV（極紫外線）光刻機(jī)已經(jīng)能夠制造7納米以下制程的芯片。在這臺(tái)光刻機(jī)中，每秒在真空環(huán)境中，從底部容器流出5萬(wàn)滴融化的錫液，激光束照射每一滴液體產(chǎn)生等離子體，從而釋放出更短的波長(zhǎng)，產(chǎn)生極紫外線，通過(guò)超高精度的反射鏡引導(dǎo)光線。這臺(tái)光刻機(jī)也被稱為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，是地球上最精密的儀器之一。

去年國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量達(dá)2018億塊

過(guò)去幾年，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量大增。以2019年數(shù)據(jù)為例，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量達(dá)到2018億塊，同比增長(zhǎng)16%，不過(guò)在核心芯片方面自給率仍然很低，不足3%。

“我們和國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)相比，比如英特爾、三星，大概有2-3個(gè)世代以上的差異?！崩詈Ｃ魈寡?，目前粵芯50%以上的原材料晶圓是日本提供的，薄膜、刻蝕、擴(kuò)散等生產(chǎn)設(shè)備的制造技術(shù)幾乎都掌握在國(guó)外廠商手里。

大灣區(qū)是芯片需求高地

廣東是中國(guó)主要的集成電路元器件市場(chǎng)和重要的電子整機(jī)生產(chǎn)基地，占據(jù)60%以上的集成電路市場(chǎng)需求。

“粵港澳大灣區(qū)最大的優(yōu)勢(shì)是，在這里能找到不同等級(jí)的電子產(chǎn)品。從廣州到東莞再到深圳，這一帶是中國(guó)重要的消費(fèi)型電子產(chǎn)品制造發(fā)源地。珠江另一岸，從廣州到佛山、中山到珠海，這一帶又是中國(guó)非常重要的大中型家電生產(chǎn)基地。所以，粵港澳大灣區(qū)是所有電子行業(yè)企業(yè)都能夠找到貼近市場(chǎng)、又找到后端應(yīng)用資源的地方?！崩詈Ｃ髡f(shuō)。

2018年底，廣州市出臺(tái)《加快發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的若干措施》，明確將集成電路作為廣州市產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)。廣州擁有泰斗微電子、潤(rùn)芯、硅芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，以及興森快捷、安捷利、風(fēng)華芯電、新星微電子等一批封裝測(cè)試企業(yè)，粵芯項(xiàng)目更是填補(bǔ)芯片制造空白。

粵芯半導(dǎo)體逆勢(shì)增資

疫情是否對(duì)粵芯的生產(chǎn)造成影響？李海明表示，2020年第一季度，粵芯半導(dǎo)體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下，超額完成了預(yù)計(jì)生產(chǎn)出貨目標(biāo)——首季產(chǎn)出高出預(yù)期25%。

今年2月，粵芯半導(dǎo)體二期項(xiàng)目成功擴(kuò)產(chǎn)簽約，新增投資65億元?；浶景雽?dǎo)體逆勢(shì)增資擴(kuò)產(chǎn)為發(fā)展按下“啟動(dòng)鍵”的同時(shí)，也摁下“加速鍵”，朝著釋放產(chǎn)能、滿足粵港澳大灣區(qū)芯片市場(chǎng)需求的方向加速。

如果硅基走到了盡頭，那么全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須找到新的材料“續(xù)命”。2009年，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖委員會(huì)(ITRS)將碳基納米材料列入延續(xù)摩爾定律的未來(lái)集成電路技術(shù)選項(xiàng)，但是在其后的時(shí)間里，碳納米材料的研究進(jìn)展并沒有給業(yè)界交出滿意答卷。

近日，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)系教授彭練矛和張志勇教授團(tuán)隊(duì)宣布他們把碳基半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推進(jìn)了一大步。5月22日，該團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》(Science)雜志發(fā)表《用于高性能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體碳納米管平行陣列》論文，介紹了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長(zhǎng)期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的問題，這個(gè)方法的成果令業(yè)界振奮，但從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化還必須經(jīng)歷漫長(zhǎng)的路。

高性能碳納米管的重大飛躍

每一種技術(shù)都有它的生命周期，現(xiàn)有的硅基芯片制造技術(shù)即將觸碰其極限，碳納米管技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾技術(shù)的重要選項(xiàng)之一。

相對(duì)于傳統(tǒng)的硅基CMOS晶體管，碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優(yōu)勢(shì)。IBM的理論計(jì)算表明，若完全按照現(xiàn)有二維平面框架設(shè)計(jì)，碳管技術(shù)相較硅基技術(shù)具有15代、至少30年以上的優(yōu)勢(shì)。斯坦福大學(xué)的系統(tǒng)層面的模擬表明，碳管技術(shù)還有望將常規(guī)的二維硅基芯片技術(shù)發(fā)展成為三維芯片技術(shù)，將目前的芯片綜合性能提升1000倍以上。

業(yè)界對(duì)碳納米管寄予厚望，2017年在臺(tái)積電IEDM大會(huì)上，臺(tái)積電CTO孫元成就報(bào)告了關(guān)于碳納米管的消息。

但碳管技術(shù)“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”，碳基在理論上和模擬層面的理想值曾讓IBM和英特爾為此進(jìn)行了很多年的探索，但是都遇到了瓶頸。2005年，Intel的器件專家發(fā)表論文，結(jié)論是無(wú)法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件，其后Intel放棄了碳基集成電路技術(shù)。在技術(shù)路線上，IBM與英特爾都選擇了傳統(tǒng)的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。

彭練矛院士和張志勇團(tuán)隊(duì)在2001年進(jìn)入該領(lǐng)域，選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的“無(wú)摻雜制備技術(shù)”。在2017年首次制備出柵長(zhǎng)5納米的碳管晶體管這一世界上迄今為止最小的高性能晶體管，綜合性能比當(dāng)時(shí)最好的硅基晶體管領(lǐng)先10倍，接近了量子極限，該成果的論文發(fā)表在2017年的《科學(xué)》雜志上。

2018年，該團(tuán)隊(duì)再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，能夠滿足未來(lái)超低功耗集成電路的需要，為超低功耗納米電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該論文發(fā)表在2018年的《科學(xué)》雜志上。

在今年5月22日發(fā)表在《科學(xué)》雜志的論文上，彭練矛院士和張志勇教授團(tuán)隊(duì)闡述了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。這個(gè)方法解決了長(zhǎng)期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的材料純度、密度和面積問題，純度達(dá)到了99.99997%左右，密度從5納米到10納米，每微米100根到200根碳納米管，這個(gè)材料基本上具備了做大規(guī)模集成電路的可能性。

在此論文發(fā)表后，杜克大學(xué)教授Aaron Franklin說(shuō)，10年前他幫助IBM公司確定了碳納米管純度和密度的目標(biāo)，當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為這無(wú)法實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在彭練矛和張志勇團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了突破，“這確實(shí)是一項(xiàng)了不起的成就，是高性能碳納米管晶體管的重大飛躍?！盇aron Franklin表示。

北京碳基集成電路研究院的技術(shù)人員向記者表示，碳基技術(shù)有著比硅基技術(shù)更優(yōu)的性能和更低的功耗，性能功耗綜合優(yōu)勢(shì)在5到10倍，這意味著碳基芯片性能比相同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片領(lǐng)先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當(dāng)于28納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實(shí)現(xiàn)等同于7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片。這為已經(jīng)走在極限值邊緣的全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打開了另外一扇大門。

對(duì)于彭練矛院士團(tuán)隊(duì)的突破，元禾璞華管理合伙人、投委會(huì)主席陳大同表示：“彭院士團(tuán)隊(duì)對(duì)于碳基半導(dǎo)體的研究絕對(duì)是世界級(jí)原創(chuàng)性技術(shù)，具有前瞻性，未來(lái)在半導(dǎo)體材料和芯片領(lǐng)域有非常大的優(yōu)勢(shì)和機(jī)會(huì)?！?019年，中國(guó)科學(xué)院微電子所葉甜春所長(zhǎng)在參觀完4英寸碳基半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)線時(shí)曾表示：“碳基半導(dǎo)體的研究和工業(yè)化實(shí)踐是中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可缺少的一個(gè)重要組成部分?！?/p>

碳基半導(dǎo)體需穿越“死亡谷”

世界的進(jìn)步需要科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)規(guī)律和新理論，但從一扇窗變成一條新路，需要龐大的創(chuàng)新鏈齊心協(xié)力。在硅基的技術(shù)路線上我們一直跟隨，在碳基路線上中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)從理論和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了世界級(jí)的突破。接下來(lái)我們?cè)撊绾螐膶?shí)驗(yàn)室的“123”，穿過(guò)“456”的“死亡谷”，進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化的“789”呢?

記者還記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時(shí)他們的焦慮：一個(gè)顛覆性技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界，中間還需要進(jìn)行工程化研究，只有工程化、成熟化的技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界才敢接手。

北京碳基集成電路研究院于2018年9月正式登記成立，它的發(fā)起單位有北京大學(xué)、中科院微電子所等多家單位，彭練矛院士擔(dān)任院長(zhǎng)。業(yè)內(nèi)人士都知道著名的比利時(shí)IMEC(大學(xué)校際微電子研究中心)實(shí)驗(yàn)室，早期是由政府投資，現(xiàn)在其80%的收入來(lái)自企業(yè)，這個(gè)頂級(jí)的實(shí)驗(yàn)室對(duì)于全球集成電路發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。包括英特爾、ARM、臺(tái)積電等許多業(yè)界巨頭都是它的客戶，這些巨頭的新技術(shù)在進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)線之前，其新技術(shù)工程化都交給IMEC來(lái)完成。碳基集成電路的發(fā)展同樣需要這樣的機(jī)構(gòu)。目前來(lái)看，北京碳基集成電路研究院的目標(biāo)是希望成為碳基集成電路產(chǎn)業(yè)的“IMEC”。

彭練矛對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示：“北京碳基集成電路研究院希望能夠在工程化方向上不斷前進(jìn)，做技術(shù)成熟度由4到8的事情，最終將技術(shù)轉(zhuǎn)給企業(yè)。產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的事情一定要由公司來(lái)做，研究院是做技術(shù)研發(fā)的?！?/p>

應(yīng)該說(shuō)，這次北京碳基集成電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世，將碳基技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)化推進(jìn)了一大步，那么下一步還有哪些挑戰(zhàn)，還有哪些“死亡谷”需要穿越?

行業(yè)分析人士對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示：“這是很令人興奮的事情，但是從論文到新技術(shù)再到產(chǎn)品到商品有很長(zhǎng)的路要走，需要進(jìn)一步加大研發(fā)。目前已經(jīng)有很多新材料被研發(fā)出來(lái)，包括氮化鎵、碳化硅等，但從長(zhǎng)期來(lái)看，硅還是難以被取代的?！?/p>

半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)分析人士韓曉敏認(rèn)為，碳基是集成電路重要發(fā)展方向之一，但是目前產(chǎn)業(yè)生態(tài)中愿意跟進(jìn)的企業(yè)還不多。還需進(jìn)一步突破成本限制，在設(shè)備和器件等工藝方面還需建立成熟的規(guī)范流程，在產(chǎn)品方向上，與硅基芯片結(jié)合不緊密的領(lǐng)域有望最先突破。

從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化，中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰(zhàn)?本源量子是中國(guó)一家量子計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司，本源量子副總經(jīng)理張輝在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，從科研品到工業(yè)品，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉(zhuǎn)變以及與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容等?！芭c現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容至關(guān)重要，如果現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從儀器、設(shè)備、工藝流程上可大部分借用，那么將大大提升產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)的速度?！彼f(shuō)。

事實(shí)上，硅基集成電路產(chǎn)業(yè)之所以有今天的豐富、成熟生態(tài)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都投入巨大。英特爾每年的研發(fā)投入占銷售收入超過(guò)20%，臺(tái)積電過(guò)去5年的研發(fā)投入是3440億元。也正是因?yàn)槿绱?，產(chǎn)業(yè)鏈很難“棄硅另起爐灶”，所以兼容至關(guān)重要。

那么硅基生態(tài)鏈上相關(guān)技術(shù)與工藝設(shè)備流程，比如光刻機(jī)、軟件設(shè)計(jì)工具、測(cè)試儀器、生產(chǎn)工藝流程等，在碳基上是否能用?彭練矛院士給出的答案是：“使用率大約能達(dá)到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨(dú)建立?！?/p>

目前解決了碳納米材料的純度、密度問題?！跋乱徊竭€需要確保材料的工藝穩(wěn)定性和均勻性，更重要的是和其他器件和IC制備的良好兼容性，這是一個(gè)綜合的事情。現(xiàn)代芯片制備有上千個(gè)步驟，其中一步做不好，就沒有好的產(chǎn)品。最后是一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的問題，材料、器件、芯片設(shè)計(jì)等密不可分?！迸砭毭f(shuō)。

碳納米管未來(lái)有很好的應(yīng)用前景?！坝捎谔蓟馁|(zhì)的特殊性，它能讓電路做到像創(chuàng)可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械如果應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，將使患者擁有更加舒適的檢查體驗(yàn);在一些高輻射、高溫度的極端環(huán)境里，碳基材質(zhì)所制造出的機(jī)器人可以更好地代替人類執(zhí)行危險(xiǎn)系數(shù)高的任務(wù);碳基技術(shù)若應(yīng)用到智能手機(jī)上，因其擁有更低的功耗，將使待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)?！睆堉居孪蛴浾呓榻B說(shuō)。

5月26日，北京碳基集成電路研究院舉行成果發(fā)布儀式。TCL等幾家大企業(yè)的工業(yè)研究院相關(guān)人員也有到場(chǎng)，工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)是什么?“工業(yè)界還是關(guān)注技術(shù)何時(shí)能夠成熟到可以被使用，包括成本和可靠性等工程問題。”彭練矛表示，這本就是企業(yè)該做的。

而工業(yè)界很難在一項(xiàng)技術(shù)還沒看到投資回報(bào)時(shí)進(jìn)行投入，如果碳基技術(shù)想要工程化，需要北京碳基集成電路研究院成為碳基領(lǐng)域的“IMEC”。記者了解到，如果要繼續(xù)往前推進(jìn)，北京碳基集成電路研究院按照200人的規(guī)模，再加上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，每年需要的資金約為2億元，并且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元。但是直到現(xiàn)在，還沒有企業(yè)關(guān)注到該研究院的價(jià)值。

不久前，阿里巴巴宣布未來(lái)3年將投入2000億元來(lái)研發(fā)芯片、云操作系統(tǒng)等，而騰訊云宣布將投入5000億元進(jìn)行新基建相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。在云計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的當(dāng)下，從云操作系統(tǒng)到芯片全線布局，正在成為越來(lái)越多的巨頭的選擇。目前阿里巴巴已經(jīng)有了“平頭哥”這家芯片公司，那么未來(lái)騰訊有沒有可能也會(huì)進(jìn)入芯片領(lǐng)域呢?如果有可能，期望中國(guó)的巨頭企業(yè)能夠看到這樣的信息，能夠關(guān)注到“碳基”集成電路的新機(jī)會(huì)。

6月1日，三星電子 (Samsung Electronics) 宣布，將在京畿道平澤工業(yè)園區(qū)投建先進(jìn)的NAND Flash閃存生產(chǎn)線。該擴(kuò)建工程于今年5月開始，將為2021年下半年大規(guī)模生產(chǎn)三星的尖端V-NAND存儲(chǔ)器鋪平道路。

據(jù)三星官方消息指出，新工廠位于韓國(guó)平澤2號(hào)線內(nèi)，計(jì)劃于2021年2月量產(chǎn)，將專門用于制造三星最先進(jìn)的V-NAND存儲(chǔ)器。

在不久前，5月21日，三星電子官方宣布了將在平澤市再投建一條全新的晶圓代工生產(chǎn)線，以滿足全球?qū)O紫外光刻技術(shù) (EUV) 的需求。時(shí)隔10天，三星再次宣布新的NAND Flash產(chǎn)線投資計(jì)劃。

雖然官方暫未公布具體投資金額，但業(yè)界推測(cè)該新晶圓代工生產(chǎn)線和NAND生產(chǎn)線的投資規(guī)模，或分別達(dá)到10萬(wàn)億和8萬(wàn)億韓元。

三星電子表示，此次投資旨在應(yīng)對(duì)隨著人工智能 (AI)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 、以及5G的普及而帶來(lái)的NAND需求。業(yè)者認(rèn)為，三星電子近期連續(xù)宣布的投資計(jì)劃，尤其是在目前新冠疫情重創(chuàng)全球經(jīng)濟(jì)的情況下，反映出其欲在全球閃存市場(chǎng)繼續(xù)拉大優(yōu)勢(shì)的決心。

目前，EUV晶圓代工生產(chǎn)和NAND閃存生產(chǎn)所需的潔凈室已在著手建設(shè)中，爭(zhēng)取在2021年下半年可以投產(chǎn)5納米EUV芯片及V-NAND閃存產(chǎn)品。