原標(biāo)題：精準(zhǔn)制造：從微納米邁向原子尺度

“空天海地的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，信息世界感知力、通信力以及智算力的建設(shè)，迫切需要高端、新型的硅基芯片。然而‘自上而下’的光刻技術(shù)制造方式已經(jīng)接近物理極限?！痹谌涨芭e行的香山科學(xué)會議上，中國科學(xué)院院士許寧生說，全球精準(zhǔn)制造的競爭已從微納米尺度邁向原子尺度，未來硅基芯片的發(fā)展水平將取決于大規(guī)模原子制造技術(shù)水平。

此次香山科學(xué)會議聚焦原子制造前沿科學(xué)問題。1納米技術(shù)節(jié)點被視為硅基芯片制造加工技術(shù)的物理極限。晶體中相鄰原子的距離大約幾個埃（0.1納米），如果能通過直接操控原子來制造芯片，將顛覆以現(xiàn)有光刻技術(shù)為基礎(chǔ)的制造規(guī)則。

從石器時代走來，人類的制造技藝不斷精進(jìn)，正在走進(jìn)能精準(zhǔn)操控物質(zhì)最基本單元——原子的時代。與會專家認(rèn)為，在這個過程中，人類不僅將突破諸多制造極限，也將刷新對基礎(chǔ)理論的認(rèn)知。

有望突破芯片制造極限

當(dāng)前的芯片制造采用“自上而下”的制造方式。這指的是一種從整塊材料開始，通過逐層添加、移除或改變材料性質(zhì)來構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法，包括薄膜沉積、光刻膠涂敷、光刻顯影、刻蝕、量測、清洗、離子注入等多個環(huán)節(jié)。

為了在單位面積內(nèi)實現(xiàn)更多晶體管的布局，2011年，研究人員采用鰭式場效應(yīng)晶體管技術(shù)，改變集成電路結(jié)構(gòu)，突破芯片22納米制程工藝。進(jìn)入5納米技術(shù)節(jié)點后，電子隧穿問題又催生了環(huán)繞式結(jié)構(gòu)、垂直傳輸場效應(yīng)晶體管等新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

然而，隨著加工精度不斷提升，宏觀方式的制造極限隨之而來，僅通過結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計將難以滿足人們對芯片計算能力日益增長的需求。尤其是隨著生成式人工智能的發(fā)展，及其在各行各業(yè)的垂直落地，算力不足、計算成本過高等問題逐漸凸顯。

“硅基芯片大規(guī)模原子制造技術(shù)的發(fā)展可能帶來計算和智能技術(shù)的基礎(chǔ)性變革?！痹S寧生認(rèn)為，應(yīng)在關(guān)鍵材料研制、微納結(jié)構(gòu)集成、核心加工制造檢測等領(lǐng)域開展關(guān)鍵技術(shù)研究，推動實現(xiàn)硅基芯片的原子制造。

那么，什么樣的材料適用于芯片等元器件的原子制造？復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授張遠(yuǎn)波介紹，國際上認(rèn)為二維半導(dǎo)體是1納米及以下節(jié)點的重要材料體系，也是唯一公認(rèn)能夠延續(xù)摩爾定律的材料。

二維材料具有獨特的單分子層晶體結(jié)構(gòu)，例如石墨烯是由碳原子組成的二維材料?！岸S材料及器件有高載流子遷移率、豐富電學(xué)性能等特點，在1納米的條件下仍能正常工作，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的極限。”張遠(yuǎn)波介紹，近年來，在二維材料的缺陷調(diào)控、應(yīng)力調(diào)控、電荷調(diào)控、轉(zhuǎn)角堆疊調(diào)控等方面，學(xué)界取得了巨大進(jìn)步。例如，晶圓級的二維材料生長已經(jīng)實現(xiàn)，基于二維半導(dǎo)體集成工藝也已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大部分硅基電路功能。

關(guān)鍵在于精準(zhǔn)可控組裝

盡管不少二維材料實現(xiàn)了較大規(guī)模的實驗室生產(chǎn)，但二維材料仍難以根據(jù)需要“隨心”構(gòu)筑。與會專家認(rèn)為，操縱二維材料和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)和器件，實現(xiàn)其性質(zhì)與功能的人工設(shè)計與調(diào)控，仍是原子制造的核心科學(xué)問題。

“通過學(xué)習(xí)自然，開發(fā)先進(jìn)制造技術(shù)，可以實現(xiàn)原子團簇或分子的精準(zhǔn)可控組裝與制造。”中國科學(xué)院院士劉云圻認(rèn)為，信息技術(shù)微型化發(fā)展要求原子制造領(lǐng)域在結(jié)構(gòu)、序列、取向、堆疊方式等方面從簡單、無序、經(jīng)驗型向復(fù)雜、有序、智能型方向發(fā)展。

“更為神奇的是，在微觀層面，如果將原子或分子按照我們想要的方式排列，就會獲得千變?nèi)f化的性能?！眲⒃欺哒f，這些性能是宏觀制造難以獲得的。需要深入認(rèn)識微觀分子的反應(yīng)和組裝規(guī)律，掌握材料的基本物理性質(zhì)，進(jìn)而構(gòu)筑新型柔性微納器件，以滿足未來對人造智慧體制備的需要。

此外，二維材料制造時的實時在線檢測，對其生長的嚴(yán)格控制也十分關(guān)鍵。國家納米科學(xué)中心研究員謝黎明介紹，為了揭示相關(guān)二維材料的生長機制，團隊研發(fā)了高溫原位光學(xué)成像技術(shù)，可在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)內(nèi)植入高溫顯微成像鏡頭，實現(xiàn)950℃下1微米空間分辨率的二維材料生長實時成像，從而揭示二維材料的生長動力學(xué)與生長機制，獲得其生長速率、擴散速率等關(guān)鍵參數(shù)。

工欲善其事，必先利其器。基于高分辨率的在線觀測，以及離線的掃描透射電子顯微鏡成像數(shù)據(jù)，團隊發(fā)展出液相邊緣外延生長方法和設(shè)備，實現(xiàn)了二硫化鉬的全單層生長。

中國科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇團隊則基于高質(zhì)量二維二硫化鉬晶圓生長的基礎(chǔ)，通過界面緩沖層控制的新策略，在工業(yè)兼容的C面藍(lán)寶石襯底上成功外延生長出2英寸的單層二硫化鉬單晶薄膜。相較于硅，二硫化鉬具有更強的電子控制能力，被認(rèn)為是制造下一代芯片的理想材料。

瞄準(zhǔn)功能“定制”目標(biāo)

如何使用大規(guī)模集成二維材料制備的晶體管，制備運算速度更快、更省電的芯片？這樣的芯片究竟長什么樣？

張廣宇說，從操控原子出發(fā)形成最終產(chǎn)品，使其具備結(jié)構(gòu)上的原子精準(zhǔn)和功能上的“定制”，是繼微納制造之后的下一代制造技術(shù)。當(dāng)前，原子尺度的相關(guān)產(chǎn)品處于萌芽階段，更多技術(shù)路線正在不斷研發(fā)中。

“后摩爾時代的計算機芯片需要在工藝和架構(gòu)方面突破經(jīng)典架構(gòu)，其中兼容半導(dǎo)體工藝的固態(tài)量子計算芯片是一種有競爭力的技術(shù)路線。”西安交通大學(xué)材料學(xué)院自旋電子材料與量子器件研究中心教授潘毅介紹，由高度相干的全同量子點構(gòu)成的量子比特是構(gòu)成固態(tài)量子芯片的基本單元。

為了制造全同的人工量子點，潘毅團隊與德國PDI研究所合作，利用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行原子操縱，在砷化銦表面構(gòu)筑了多個全同性良好的人工量子點。這種方法有望成為未來固態(tài)量子計算所需的大規(guī)模耦合量子點陣列的重要制造方式。

與會專家表示，以定向自組裝誘導(dǎo)圖形化工藝技術(shù)、冷陰極并行電子束直寫刻蝕裝備技術(shù)、大規(guī)模掃描探針裝備技術(shù)、X光光刻裝備技術(shù)等為代表的加工技術(shù)也在不斷完善和發(fā)展，為工業(yè)級別的大規(guī)模原子制造提供支撐。(記者 張佳星)