精準制造：從微納米邁向原子尺度

　　“空天海地的網絡建設，信息世界感知力、通信力以及智算力的建設，迫切需要高端、新型的硅基芯片。然而‘自上而下’的光刻技術制造方式已經接近物理極限。”在日前舉行的香山科學會議上，中國科學院院士許寧生說，全球精準制造的競爭已從微納米尺度邁向原子尺度，未來硅基芯片的發展水平將取決于大規模原子制造技術水平。

　　此次香山科學會議聚焦原子制造前沿科學問題。1納米技術節點被視為硅基芯片制造加工技術的物理極限。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，將顛覆以現有光刻技術為基礎的制造規則。

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

　　有望突破芯片制造極限

　　當前的芯片制造采用“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來構建復雜結構的方法，包括薄膜沉積、光刻膠涂敷、光刻顯影、刻蝕、量測、清洗、離子注入等多個環節。

　　為了在單位面積內實現更多晶體管的布局，2011年，研究人員采用鰭式場效應晶體管技術，改變集成電路結構，突破芯片22納米制程工藝。進入5納米技術節點后，電子隧穿問題又催生了環繞式結構、垂直傳輸場效應晶體管等新的結構設計。

　　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，僅通過結構的巧妙設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展，及其在各行各業的垂直落地，算力不足、計算成本過高等問題逐漸凸顯。

　　“硅基芯片大規模原子制造技術的發展可能帶來計算和智能技術的基礎性變革。”許寧生認為，應在關鍵材料研制、微納結構集成、核心加工制造檢測等領域開展關鍵技術研究，推動實現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？復旦大學物理學系教授張遠波介紹，國際上認為二維半導體是1納米及以下節點的重要材料體系，也是唯一公認能夠延續摩爾定律的材料。

　　二維材料具有獨特的單分子層晶體結構，例如石墨烯是由碳原子組成的二維材料。“二維材料及器件有高載流子遷移率、豐富電學性能等特點，在1納米的條件下仍能正常工作，有望突破傳統半導體器件的極限。”張遠波介紹，近年來，在二維材料的缺陷調控、應力調控、電荷調控、轉角堆疊調控等方面，學界取得了巨大進步。例如，晶圓級的二維材料生長已經實現，基于二維半導體集成工藝也已經能夠實現大部分硅基電路功能。

　　關鍵在于精準可控組裝

　　盡管不少二維材料實現了較大規模的實驗室生產，但二維材料仍難以根據需要“隨心”構筑。與會專家認為，操縱二維材料和結構，進而構筑異質結構和器件，實現其性質與功能的人工設計與調控，仍是原子制造的核心科學問題。

　　“通過學習自然，開發先進制造技術，可以實現原子團簇或分子的精準可控組裝與制造。”中國科學院院士劉云圻認為，信息技術微型化發展要求原子制造領域在結構、序列、取向、堆疊方式等方面從簡單、無序、經驗型向復雜、有序、智能型方向發展。

　　“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，就會獲得千變萬化的性能。”劉云圻說，這些性能是宏觀制造難以獲得的。需要深入認識微觀分子的反應和組裝規律，掌握材料的基本物理性質，進而構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，對其生長的嚴格控制也十分關鍵。國家納米科學中心研究員謝黎明介紹，為了揭示相關二維材料的生長機制，團隊研發了高溫原位光學成像技術，可在化學氣相沉積系統內植入高溫顯微成像鏡頭，實現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與生長機制，獲得其生長速率、擴散速率等關鍵參數。

　　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據，團隊發展出液相邊緣外延生長方法和設備，實現了二硫化鉬的全單層生長。

　　中國科學院物理研究所研究員張廣宇團隊則基于高質量二維二硫化鉬晶圓生長的基礎，通過界面緩沖層控制的新策略，在工業兼容的C面藍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，被認為是制造下一代芯片的理想材料。

　　瞄準功能“定制”目標

　　如何使用大規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，從操控原子出發形成最終產品，使其具備結構上的原子精準和功能上的“定制”，是繼微納制造之后的下一代制造技術。當前，原子尺度的相關產品處于萌芽階段，更多技術路線正在不斷研發中。

　　“后摩爾時代的計算機芯片需要在工藝和架構方面突破經典架構，其中兼容半導體工藝的固態量子計算芯片是一種有競爭力的技術路線。”西安交通大學材料學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成的量子比特是構成固態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行原子操縱，在砷化銦表面構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量子計算所需的大規模耦合量子點陣列的重要制造方式。

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