国产石墨烯晶圆下线，或助力芯片弯道超车，比硅前景还大的石墨烯优势何在？

上个月，在上海举行的国际石墨烯创新大会上，中科院上海微系统团队发布了一项创新成果，表示实现了8英寸石墨烯晶圆的小规模量产。据此，有媒体报道称，它“展示了我国在高质量石墨烯材料领域的创新成果”。

8英寸指的是晶圆的直径（晶圆通常都是圆柱体）。目前最主流的直径规格有三种：6英寸，8英寸和12英寸，直径越大制造的难度越大。

据了解，中科院上海微系统所科研团队自2009年起瞄准石墨烯单晶制备及其电子器件应用的课题开始了攻关研究。该所的一位研究员表示，“想用石墨烯等碳基二维材料实现电子器件集成，开启微电子技术变革，就必须制备出大尺寸、高质量的石墨烯单晶晶圆”。

石墨烯晶圆的小批量生产，被认为是为新一代国产电子器件的研发奠定了基础，意义重大。

什么是晶圆?

简单来说，芯片就是一片集成电路，用先进工艺将电路小型化并制造在半导体晶圆表面上。芯片的伟大之处就在于其小型化(其中就有晶圆的功劳)，否则电脑就无法从“埃尼阿克”进化到surface。

芯片制造的完整过程包括沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等

目前芯片中的晶圆都是以硅为原料，这是地壳内第二丰富的元素，便宜量大，在你家楼下的沙堆里一抓一大把，一般来说，脱氧后的沙子(尤其是石英)含有的硅元素可以高达25%。

第一道工序需要提纯，将沙石原料放入两千多摄氏度高温的电弧熔炉中，过程中还要加入碳，在高温下发生还原反应得到冶金级硅，然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅。

但是，多晶硅不够“纯洁”，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，形状差不多就这样：

金刚石晶格排列（图源：百度百科）

多晶硅太粗糙，无法保证精度，所以需要给这些硅原子重新排队制成单晶硅，这个过程如下图：

单晶硅制作流程 （图源：OFweek）

将多晶硅融化，随后插入籽晶(seed crystal)，籽晶也是单晶硅，它的原子排序是规则的，硅溶液在这种规则引导下也会自觉排好。过程中必须保证盛放硅溶液的容器和籽晶反向旋转，向上提起籽晶，等离开液面的硅原子凝固后，我们就得到了排列整齐的单晶硅柱。

在向上提起旋转生成单晶硅的过程中，一旦旋转速度、温度稍有差池，那么单晶硅柱的纯度就会受到影响。直径越大，过程中可能出现的概率就越大，因此大直径的晶圆生产难度更大！

把这个硅柱切成片，然后在再磨光滑，就得到了晶圆。这个过程也解释了为什么这东西叫晶圆而不是“晶方”。

为什么选择硅作为芯片材料呢?

导体的电阻非常低，可以很容易导电;而绝缘体的电阻很高，不能导电。对于晶体管而言，必须要能够根据需要对晶体管的开关进行控制，我们就需要半导体。半导体的电阻介于导体和绝缘体之间，也就是说其在不同条件(如掺杂)下会表现出不同的性质。

半导体那么多，最后硅脱颖而出。其一是因为它便宜量多，在沙子、长石、花岗石和石英中均存在。其二是因为其长久的发展史，被称作“硅谷之父”的诺伊斯在1959年就制造出了首个硅基芯片。发展到现在，其制备工艺相当成熟。

举例来说，我们知道一个芯片上包含的晶体管多达几十亿甚至上百亿，如果其中有一个出了问题，则可能会影响严重工作。要保证稳定性就必须提高硅的纯度，计算机芯片需要99.999999999%(11个9)以上的高纯硅;人类目前能制造的最纯的硅材料纯度可达12个9。就这种纯度来说，其他材料基本无法做到。

至于是怎么做到这种纯度的，那我也不知道，商业机密啊!

目前晶圆制造的原材料都为硅。从产业链上来看，晶圆市场基本被15家晶圆厂垄断，共占据了95%的份额。其中信越半导体、盛高、环球晶圆、世创、LG等几家几乎了垄断了对全球80%半导体企业的晶圆供应。

好消息是，2017年以来，中国大陆晶圆厂进入资本开支高峰期，据SEMI统计，2017-2020年全球投产的62座晶圆厂，有26座设于中国大陆，占全球总数的42%。大陆晶圆厂产能加速扩张将带动我国半导体材料需求增长。得益于此，目前国内的半导体材料行业市场规模不断扩大，已经跃至全球前第三。

可以看出，我国目前在硅基晶圆生产研发方面奋起直追。不过，硅基芯片的发展已经相当成熟，可以说已经逼近物理极限。因此，很难再在这种材料上做出大文章。于是中国将目光投向了新材料——石墨烯。当然，欧盟、美国等也都制定了相关发展计划。

目前硅基芯片的发展已经相当成熟，可以说已经逼近物理极限。因此，很难再在这种材料上做出大文章，因此，中国将目光投向了新材料——石墨烯。当然，欧盟、美国等都制定了相关发展计划。

为什么是石墨烯?

石墨烯是一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，形状大概就和铺开的渔网差不多。石墨烯本身就存在与自然界，只不过非常薄，仅有一个碳原子的厚度。

将一片片的石墨烯堆叠起来，我们就得到了石墨。1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。石墨烯的堆叠是依靠分子间力，这种力又是由电子运动产生的。没错，每一层之间存在大量电子，这也是为什么石墨具有良好的导电性。

相比于硅，石墨烯作为晶体管材料的优势在于更低的功耗和更高的效率。这是因为石墨烯比硅具有更高的电子迁移率，电子运行速度达到1/300光速，比硅芯片快100—1000倍。

电子迁移率是固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量。其作用在于其影响半导体材料的电导率(电阻率的倒数)的大小。迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，电流承载能力越大。

其次，石墨烯可以带来更高的性能。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4GHz，笔记本电脑为了控制CPU功耗，主频普遍控制在2GHz到3GHz之间。

相比之下，石墨烯芯片的频率有望可达1THz以上(1THz=1000GHz)。几年前，IBM就在实验室中的石墨烯场效应晶体管中实现了155G主频率。

当然，石墨烯也是有缺点的，那就是其禁带为零(关于禁带的概念，可在前瞻网搜索“氮化镓”，文中有详细描述)，这对于制造晶体管是致命的，一般来说，禁带的宽度和导电性成反比，越宽导电性越差，越窄导电性越佳。由于石墨烯的禁带为零，其具有的极佳导电性就无法在有需要时成功切断电流。

针对这一致命缺陷，目前已经提出了两种方案。

一是掺杂改性，即在在纯净的基质中通过物理或者化学方法掺入其他杂质元素或化合物，以改变原基质材料的电化学性能，例如已经有科学家制造出了氮掺杂石墨烯。 

二是形貌调控，科学家发现，石墨烯禁带的宽度随着石墨烯的宽度减小而增大，且和石墨烯的厚度密切相关，因此，只要对其物理特性进行调整，那么就可以改变禁带宽度。

为此，Nature Nanotechnology 的评论曾明确指出﹕要深入挖掘石墨烯的优异物理特性，以制备高性能石墨烯晶体管，其重要基础和关键之一是获得宽度与厚度(即层数)可控的高质量石墨烯带状结构。

此次我国的8英寸石墨烯晶圆实现小规模量产，这在全球都是领先的。而且，这一成就还给了我们实现芯片产业弯道超车的机会。

不过，有专家指出，石墨烯晶圆只是使芯片制造变得“相对简单”，光刻机目前还是必需品。此外，芯片制造工艺复杂，一条生产线可能涉及50多个行业，和2000到5000道工序，我们还需要在更多领域做出突破性成就。

光刻机是芯片制造的核心装备，目前只有极少数厂家掌握。ASML的光刻机凭借其高精度、高效率独霸行业，各大芯片厂商如英特尔、三星、台积电等都是其客户，甚至还要抢购。

当然，ASML如果作为一家独立企业，是万万不可能生产出如此先进的设备，其背后有无数巨头支持，不论是资金还是技术，其投入都是海量的。好东西自然就贵，不过贵不代表中国买不起，但问题关键在于——ASML不卖，或者不能卖，这背后隐藏了太多政治因素。

本着“自力更生”的原则，相关部门高校已经布局国产光刻机研发，相关政策和基金也不断涌现，相信在将来我们也将拥有制程更小的国产光刻机。

在现有道路被围堵的情况下，一方面全力攻关光刻机；另一方面提前布局，开挖石墨烯这条“新路”，不失为一计良策。