國內首條碳基集成電路生產線為何誕生在重慶
2025-06-17 06:16:02 來源： 重慶日報
●有別于硅基芯片是晶體管的二維集成，碳基芯片能實現晶體管的三維集成，達到更高的集成度，在理論上具有更高的性能潛力
●重慶具備豐富的應用場景，一旦碳基芯片實現規模化量產，就能在這里快速落地應用
●“十五五”時期，計劃打造28納米碳基集成電路生產線，對標7納米硅基集成電路性能，到2028年實現年產碳基晶圓10萬片的目標
國內首條碳基集成電路生產線為何誕生在重慶？碳基芯片能打破摩爾定律的“天花板”，取代硅基芯片成為主流嗎？“中國芯”能憑此逆風翻盤，實現“換道超車”嗎？碳基芯片距離我們的生活還有多遠……隨著不久前國內首條碳基集成電路生產線在渝投運，人們對“中國芯”有了新期待。近日，記者帶著一系列問題，走進北京大學重慶碳基集成電路研究院（以下簡稱北大重慶碳基院）。
25年“磨一劍”
“要想不受制于人，我們必須要發展自己的集成電路技術”
一棟位于西部（重慶）科學城西永微電園的三層小樓，是北大重慶碳基院的所在地。今年4月，研究院剛從附近一處臨時辦公場地喬遷于此。
剛走進研究院，一塊大屏幕便映入記者的眼簾。屏幕上顯示的，是國內首條碳基集成電路生產線的實時場景——
潔凈的生產車間里，幾名身著防塵服的工人來回走動，他們身旁的設備有序運行著。一道道工序完成后，碳基晶圓便從這里下線。
“在這條生產線上，碳基集成電路專用設備有十幾臺，都是國產的，一部分還是由我們北大團隊和研究院團隊自主研發的。”北京大學電子學院教授、北大重慶碳基院院長張志勇介紹。
研究院展廳里，兩片薄薄的8英寸碳基晶圓放在玻璃展示柜上。經過后續加工，一片晶圓能分割出100多顆碳基芯片。目前，生產線已投運一個月，像這樣的晶圓已經實現量產。
“這一天，我們等了25年！”張志勇感慨。
碳基芯片，顧名思義，是以碳為核心材料制造而成。具體而言，北大重慶碳基院采用的是碳納米管。這種材料于20世紀90年代被發現，是一種由碳原子組成的微小管狀結構。以中國科學院院士彭練矛領銜的北大碳基團隊，已研究了25年。
碳基晶圓旁邊擺放著一個碳納米管模型，它比實際的碳納米管放大了一億倍?！疤技{米管直徑只有1—2納米，相當于頭發絲的50萬分之一。”張志勇介紹。
這些管子雖小，卻有強大到令人驚嘆的特性——電子在碳納米管里的移動速度比在硅里快約10倍，這意味著，它能制造出運算速度更快的電子器件，且功耗低、散熱效果好。更重要的是，有別于硅基芯片是晶體管的二維集成，碳基芯片能實現晶體管的三維集成，達到更高的集成度，在理論上具有更高的性能潛力，從而打破摩爾定律的“天花板”，突破當前硅基芯片面臨的技術瓶頸。
事實上，20世紀90年代，國內外知名高校、科研機構和企業都對碳納米管表現出極大興趣，曾掀起一波研究熱潮。不過，那時研究人員是基于單根碳納米管展開研究，他們認為要將幾十億甚至上百億根碳納米管晶體管集成在一張基底材料上，是一個不可能完成的任務，因而無法制備出碳基芯片。
后來，不少研究團隊都選擇了放棄，但北大碳基團隊一直在堅持。
為何要堅持？為何能堅持？
張志勇坦言，硅基芯片在美國已發展了60多年，在整個硅基芯片的研發上，我國落后很多，不論是材料還是設備、軟件、制造工藝等，都是購買別人的，想要在硅基的道路上“超車”不太現實，需要“換道”。而碳基芯片對全球來說都是一條全新的賽道，更何況目前我們還處于相對領先的位置，甚至有望憑此“換道超車”，“要想不受制于人，我們必須要發展自己的集成電路技術?！睆堉居抡f。
為此，自2001年以來，在國家持續20年的專項支持下，北大碳基團隊從零開始，探索用碳納米管材料制備集成電路的方法，研發出一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法。
技術落地“一線牽”
“一條8英寸硅光特色工藝生產線，讓團隊眼前一亮”
2020年，北大碳基團隊首次制備出達到大規模碳基集成電路所需的高純、高密度碳納米管陣列材料，并加工出性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路，相關研究成果在世界頂級期刊《科學》上發表。
然而，這并不意味著碳基集成電路技術就完成了技術落地，具備市場競爭力。把學校實驗室的技術變成一個可規模生產的工業化技術，讓碳基芯片實現規?；a和應用，這中間還有很長的路要走。
在張志勇看來，要實現規?；a，就需要專用的生產線，這是學校所不具備的。他們要走出學校，爭取更多資源，開展碳基集成電路的工程化和未來的產業化研究。
2021年，北大重慶碳基院常務副院長劉洪剛加入北大碳基團隊，他的主要工作，就是推動碳基集成電路技術的工業化和產業化。
劉洪剛回憶，那時，團隊在國內不少地方都進行了考察，一些省市甚至主動找上門，給出很有吸引力的政策。但經過一年的調研和洽談，以及深思熟慮，他們最終選擇了重慶。
原因有多方面：首先，重慶是中西部唯一的直轄市，在國家發展戰略中占有重要地位；其次，重慶擁有產業化人才資源，不僅本地有很多電子類院校，還引進和培育了大量新型研發機構，吸引和聚集了很多產業化人才；再次，從國家到地方都制定和出臺了不少政策，支持重慶大力發展集成電路產業；另外，重慶的智能網聯新能源汽車、新一代電子信息等產業的發展，讓這里具備豐富的應用場景，一旦碳基芯片實現規?；慨a，就能在這里快速落地應用。
劉洪剛透露，這當中還有一個重要原因：在重慶市政府的支持下，西永微電園基于一流的產業資源和政策優勢，當時已成功搭建了一條8英寸硅光特色工藝生產線，這讓團隊眼前一亮。
“盡管這條生產線和我們的技術路徑不一樣，但在此基礎上進行改造，增加一些碳基集成電路專用設備，就能迅速搭建起一條碳基集成電路生產線?！眲⒑閯偢嬖V記者，碳基集成電路的工程化和產業化有許多問題亟待解決，需要很長的時間和大量的投入，能在現有資源的基礎上建設生產線，無疑將節省大量的時間和投入。
最終，這條生產線讓北大碳基團隊與重慶“牽線”成功。2023年11月，北大重慶碳基院在西永微電園正式揭牌成立，就在這條生產線附近“安了家”。
也是從那一年起，劉洪剛開始常駐重慶?！皠倎頃r，我們雖在臨時場地辦公，但距離生產線只有三五百米。團隊人員隔三差五就往生產線跑，甚至從早到晚就泡在車間里?！彼寡裕瑥膶嶒炇业募夹g研究，到生產線的工程化驗證，這一步很關鍵。盡管團隊在實驗室里做出了一些碳基芯片，效果不錯，但要從生產線上加工出來，會面臨一些新的技術難題，有待團隊進行二次開發。
經過一年多的攻關，隨著生產線“動”起來，一片片碳基晶圓開始下線，整個工藝流程走通了！
第一片碳基晶圓下線后，劉洪剛發了一條微信朋友圈，放上了一張“新鮮出爐”的晶圓照片。第一時間，他的朋友圈就炸了鍋。
轉化成果“孵金蛋”
“碳基芯片可繞過先進光刻機的限制，具有更廣泛的應用前景”
早在2009年，國際半導體技術發展路線圖（ITRS）委員會就把碳納米管列為延續摩爾定律的未來集成電路材料選擇。如今，用碳納米管晶體管制備的碳基芯片，綜合性能可以比硅基芯片提高成百上千倍，逐漸成為學界的共識。
目前，北大重慶碳基院團隊已組建起一支60人的碳基工程化隊伍，由彭練矛院士擔任首席科學家，高層次青年人才擔任核心骨干，碩博比例達到50%以上。
“在碳基集成電路技術的工程化發展上，可以說，我們從鄉村小路走上了高速路?！睆堉居赂锌?。
事實上，團隊還有更長遠的技術發展規劃——“十四五”時期，在上述碳基集成電路生產線上，完成從器件設計、單步工藝、工藝集成到器件優化的全流程技術能力建設，邁出碳基芯片從實驗室走向工程化的第一步。在此基礎上，“十五五”時期，獨立打造28納米碳基集成電路生產線，對標7納米硅基集成電路性能，到2028年實現年產碳基晶圓10萬片的目標。
事實上，團隊在工藝技術上保持領先水平的同時，也為重慶打造碳基集成電路技術高地和產業化高地先發優勢奠定了堅實基礎。
“在這一年多的時間里，我們和西永微電園的多家企業建立了合作關系，已深度融入重慶集成電路產業鏈上下游?！眲⒑閯傉f，近期，研究院還與重慶賽寶工業技術研究院達成合作，在西永微電園建設碳基集成電路檢測中心，打造國內一流的檢測平臺，面向行業提供公共服務。
“將尺寸更小、速度更快、性能更強、功耗更低的碳基芯片推至行業主流，讓人們更好地享受智能時代的生活，是團隊的未來目標。盡管路還很長，但我們已經在通過‘沿途下蛋’的方式，推動成果落地轉化。”該團隊相關負責人說。
“碳基芯片可以繞過先進光刻機的限制，具有更廣泛的應用前景?！北贝笾貞c碳基院技術研發人員王程博稱，目前，研究院正聚焦智能傳感、模擬射頻、先進電子、AI芯片四個應用方向，逐步推進碳基芯片產品的應用開發。
在研究院的展廳內，擺放著一款氫氣檢測儀。這是研究院團隊聚焦智能傳感領域開發的全球首款碳基手持式氫氣檢測儀。該檢測儀具有黑色的外表，只有遙控器一般大小。因為內置了一顆碳基芯片，它已展現出強大的功能。
“這款產品已在重慶多家車企進行了應用?！蓖醭滩┙榻B，只要將它靠近氫能源汽車，就能快速檢測是否有氫氣泄漏。即便是在新疆等地的極端氣候下，它也展現出穩定的性能，可以為氫能源汽車發展提供安全保障。
像這樣搭載碳基芯片的產品，今后還將有很多。劉洪剛介紹，目前，北大重慶碳基院已成立了產業孵化平臺，通過提供“人才培養、平臺共享、技術轉讓、種子基金”等扶持政策，未來將重點孵化5家創新型科技企業，加快培育壯大碳基集成電路產業生態。
劉洪剛稱，碳基集成電路一旦進入主流集成電路市場，將帶動上下游產生千億量級的產值，助力重慶成為集成電路技術與人才高地，為重慶打造萬億級新一代電子信息制造業集群貢獻力量。
責任編輯：杜漩
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