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2021年10月，ACS Nano刊登美国麻省理工学院（MIT）的研究：报道碳基芯片在太空中抗辐射能力远高于硅基芯片。  MIT碳基芯片 前几天，我聊过几句碳基芯片的前景，提到我的两点粗浅的看法： 1，制造工艺上需要从目前的从下而上，推进到从上而下，才可能实现匹敌硅基芯片的集成密度； 2，需要有杀手级应用，依托产业迭代实现技术的逐步推进。 显然，MIT的工作是一个很好的寻找杀手级应用的领域。这一点毋庸置疑--即便是在中国，也是同样存在这个需求的。  太空任务中，航天器会遇到持续不断的破坏性宇宙辐射流，可能会损害甚至破坏机载电子设备。而带有碳纳米管的晶体管和电路在受到大量辐射的轰击后能保持其电气特性和记忆力。如果后续能证明，碳基芯片对航天器安全有指数级的提升，那么这个需求便是真正能带动产业的刚需了。当然，我们可以理解，如果碳基芯片能抵抗大剂量的宇宙辐射流，那么在地面的很多复杂应用场景，也必定会有更好的稳定性。 我简单了浏览了2020年MIT首次在硅基半导体生产线上，完成的200毫米晶圆级的碳基芯片的工作，大概如下： 从下而上的溶液快速沉积从下而上，通常指的是从已经合成的纳米级材料入手，以组装方式获得晶圆级纳米结构薄膜。而常规的硅基半导体，是从上而下工艺，也就是也长一层薄膜，再通过光刻获得纳米结构。 MIT的方案也非常简单： 将硅片放在碳管的甲苯溶液中，通过控制溶剂干燥的方式获得密集可控的碳管薄膜。 考虑到溶液处理涉及的不规则取向以及液体表面张力可控的尺度，我认为这种方式在实现高集成密度上是有较大困难，应该开发更先进的“自上而下”的碳管工艺。不过这是后话。  MIT的快速溶液沉积晶圆级碳管薄膜 MIT的碳管芯片的基元：单个晶体管结构由于溶液沉积法是无规则的，虽然原理上是可以控制一定程度的取向，但通常仍然采用的是多碳管集群填充沟道的方式。这和很多实验室论文，做单根碳纳米管晶体管测试是不同的。而这种结构也显著地显示了“从下而上”和“从上而下”工艺的差别。  MIT的碳芯片中单个晶体管的结构 优化的溶液沉积碳纳米管薄膜非常容易理解的是，在甲苯溶液中放不同含量的碳纳米管，会影响最终沉积在晶圆上的碳纳米管密度和密度分布。  MIT碳芯片中碳管沉积工艺的优化 硅基半导体工厂200毫米晶圆上的碳芯片MIT团队在晶圆厂完成标准的130纳米节点的CMOS工艺制造碳芯片。单个芯片集成14400个碳管晶体管。  MIT在晶圆厂展示200毫米晶圆级碳芯片 量产性MIT团队在三片200毫米晶圆上做了重复测试，获得了非常好的重复性。下图是在200毫米晶圆的不同位置测试结果。  晶圆级碳芯片测试 单个碳芯片的显微镜照片 MIT碳纳米管微处理器的显微图像 碳芯片晶圆照片 一名技术人员拿着完整的 RV16X-NANO 微处理器 单根碳管晶体管模型未来的碳芯片，将是单根碳管构成的晶体管结构：采用从上而下的制造工艺，是关键。我注意到目前已经有一些相关的工作，未来可期。  单根碳管晶体管模型 最近的目标：90nm节点碳芯片工艺美国能源部下属DARPA正领导一个项目开发3D设备，该设备在碳纳米管晶体管上堆叠内存。目标是在 200 毫米晶圆厂中以90纳米工艺开发3D设备。 彩蛋Christian Lee Lau的博士论文中，描述了详细的碳芯片工艺，包括芯片实测图、构架、制造流程。 请半导体行业的朋友们一起来点评一下，目前碳芯片的水平和技术壁垒如何？  |
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