10萬片產能！不用EUV光刻機，中國首條碳基晶片生產線正式量產，能否彎道超車？

沒有EUV光刻機，中國國產半導體產業有沒有可能彎道超車呢？這可能是許多人心裡的疑問！目前整個國產半導體產業可謂“百花齊放”，既有按照傳統路線拚命攻關光刻系統的；也有不走尋常路，期待通過量子晶片反向突破的；這些路徑當然都是一種可能性，然而有一種“顛覆性路徑”或許才是國產晶片“彎道超車”的關鍵所在——碳基晶片。

現在市面上絕大多數的晶片都是以“矽”為核心材料的，也就是矽基晶片。而碳基晶片，顧名思義就是以碳材料（主要是碳奈米管 (CNT) 和石墨烯）為半導體活性層，取代傳統矽（Si）製程的積體電路。碳材料擁有極高的電子遷移率、優異的熱導率和可在室溫下工作而不受量子隧穿限制的特性，被視為後摩爾時代突破矽極限的關鍵技術。

隨著矽基晶片工藝逐漸逼近物理極限，全球半導體產業都在尋找能夠延續摩爾定律的新材料。碳基晶片，特別是以碳奈米管為代表的碳基半導體，正成為最有希望的替代者。碳奈米管是由碳原子組成的微小管狀結構，直徑只有1-2奈米，相當於頭髮絲的五十萬分之一。

這些微小的結構卻擁有令人驚嘆的特性：電子在碳奈米管裡的移動速度比在矽中快約10倍，能製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，有別於矽基晶片是電晶體的二維整合，碳基晶片能實現電晶體的三維整合，達到更高的整合度，理論上具有更高的性能潛力。

中國碳基晶片研究已走過25年曆程。以中國科學院院士彭練矛、張志勇教授為首的科研團隊，經過二十多年攻關，研發出一整套高性能碳奈米管電晶體的無摻雜製備方法，達到世界領先水平。

他們早在2017年就成功製備出5奈米柵長的碳奈米管電晶體，性能接近理論極限，並在碳奈米管純度控制上達到全球領先水平，這是實現高性能晶片的基礎。

2020年，北大碳基團隊首次製備出達到大規模碳基積體電路所需的高純、高密度碳奈米管陣列材料，並加工出性能超越矽基積體電路的碳奈米管積體電路，相關研究成果在世界頂級期刊《科學》上發表。

但他們並沒有停下研發的腳步，2023年11月，北京大學重慶碳基積體電路研究院正式揭牌成立。同年，國內首條碳基積體電路生產線在重慶投運，標誌著碳基晶片正式從實驗室走向工程化量產階段。這條生產線大量採用國產裝置，並已成功實現8英吋碳基晶圓的量產。

2024 年關於石墨烯半導體的論文發表，首次實現帶隙石墨烯器件，為石墨烯在邏輯電路中的應用奠定基礎。

2025 年全球首款碳基AI晶片正式發佈，基於CNT電晶體，展示了在 AI 推理中的高效能；同時實現了8 英吋CNT 晶片中試線，提升了製造規模化的可行性。與此同時，高純度6N銅靶材研發成功，為碳基晶片的低成本製造提供關鍵材料，解決了碳基工藝對高純度金屬靶材的需求。

在碳基晶片應用落地上也實現了新的突破，在推進通用晶片的同時，碳基晶片憑藉其特定優勢，已在一些細分市場開始應用。例如，基於碳基晶片開發的全球首款手持式氫氣檢測儀已用於氫能源汽車產業鏈，實現了成果的快速轉化。

根據規劃，國產碳基晶片將在"十五五"期間，獨立打造出28奈米的碳基積體電路生產線，其性能可對標7奈米的矽基晶片，並計畫到2028年實現年產碳基晶圓10萬片。

也就是說，在未來的2-3年國產碳基晶片將實現量產和規模化應用。由於碳基晶片可以繞過先進光刻機的限制，這將使得中國能夠規避在極紫外光刻機（EUV）領域面臨的“卡脖子”問題。

當然，不得不說碳基晶片要實現大規模產業化，仍面臨一系列挑戰。其中最主要的是材料製備問題。雖然中國科學家已實現8英吋碳基晶圓的量產，但要獲得高純度、高密度、均勻性良好的碳奈米管陣列材料仍然面臨挑戰。另外，碳奈米管製備中可能存在金屬型與半導體型混合的問題，如何大規模獲得純度達99.9999%的半導體型碳奈米管，仍是需要突破的技術瓶頸。

其次，在工藝整合上也面臨挑戰。碳基晶片的製造工藝與矽基晶片有顯著不同，需要開發專用的工藝裝置和流程。目前重慶的生產線雖然已實現量產，但產能與主流的矽基晶片生產線相比仍有較大差距。

最後，碳基晶片要真正實現產業化，需要建構從設計、製造到封測的完整產業鏈，以及相應的軟體工具和人才培養體系。目前這一生態仍處於早期階段。

因此，雖然面臨諸多挑戰和面臨，但隨著重慶生產線開始量產8英吋碳基晶圓，一條無需依賴極紫外光刻機的晶片製造路徑正逐漸清晰。碳基晶片的成功產業化，將使中國半導體產業擺脫在矽基技術路徑上的長期追趕局面。正如北京大學碳基團隊所言：在矽基道路上“彎道超車”不太現實，但碳基晶片這條全新賽道，給了中國積體電路技術一次“換道開車”的歷史機遇。 (飆叔科技洞察)