“空天海地的网络建设，信息世界感知力、通信力以及智算力的建设，迫切需要高端、新型的硅基芯片。然而‘自上而下’的光刻技术制造方式已经接近物理极限。”在日前举行的香山科学会议上，中国科学院院士许宁生说，全球精准制造的竞争已从微纳米尺度迈向原子尺度，未来硅基芯片的发展水平将取决于大规模原子制造技术水平。
此次香山科学会议聚焦原子制造前沿科学问题。1纳米技术节点被视为硅基芯片制造加工技术的物理极限。晶体中相邻原子的距离大约几个埃（0.1纳米），如果能通过直接操控原子来制造芯片，将颠覆以现有光刻技术为基础的制造规则。
从石器时代走来，人类的制造技艺不断精进，正在走进能精准操控物质最基本单元——原子的时代。与会专家认为，在这个过程中，人类不仅将突破诸多制造极限，也将刷新对基础理论的认知。
有望突破芯片制造极限
当前的芯片制造采用“自上而下”的制造方式。这指的是一种从整块材料开始，通过逐层添加、移除或改变材料性质来构建复杂结构的方法，包括薄膜沉积、光刻胶涂敷、光刻显影、刻蚀、量测、清洗、离子注入等多个环节。
为了在单位面积内实现更多晶体管的布局，2011年，研究人员采用鳍式场效应晶体管技术，改变集成电路结构，突破芯片22纳米制程工艺。进入5纳米技术节点后，电子隧穿问题又催生了环绕式结构、垂直传输场效应晶体管等新的结构设计。
然而，随着加工精度不断提升，宏观方式的制造极限随之而来，仅通过结构的巧妙设计将难以满足人们对芯片计算能力日益增长的需求。尤其是随着生成式人工智能的发展，及其在各行各业的垂直落地，算力不足、计算成本过高等问题逐渐凸显。
“硅基芯片大规模原子制造技术的发展可能带来计算和智能技术的基础性变革。”许宁生认为，应在关键材料研制、微纳结构集成、核心加工制造检测等领域开展关键技术研究，推动实现硅基芯片的原子制造。
那么，什么样的材料适用于芯片等元器件的原子制造？复旦大学物理学系教授张远波介绍，国际上认为二维半导体是1纳米及以下节点的重要材料体系，也是唯一公认能够延续摩尔定律的材料。
二维材料具有独特的单分子层晶体结构，例如石墨烯是由碳原子组成的二维材料。“二维材料及器件有高载流子迁移率、丰富电学性能等特点，在1纳米的条件下仍能正常工作，有望突破传统半导体器件的极限。”张远波介绍，近年来，在二维材料的缺陷调控、应力调控、电荷调控、转角堆叠调控等方面，学界取得了巨大进步。例如，晶圆级的二维材料生长已经实现，基于二维半导体集成工艺也已经能够实现大部分硅基电路功能。
关键在于精准可控组装
尽管不少二维材料实现了较大规模的实验室生产，但二维材料仍难以根据需要“随心”构筑。与会专家认为，操纵二维材料和结构，进而构筑异质结构和器件，实现其性质与功能的人工设计与调控，仍是原子制造的核心科学问题。
“通过学习自然，开发先进制造技术，可以实现原子团簇或分子的精准可控组装与制造。”中国科学院院士刘云圻认为，信息技术微型化发展要求原子制造领域在结构、序列、取向、堆叠方式等方面从简单、无序、经验型向复杂、有序、智能型方向发展。
“更为神奇的是，在微观层面，如果将原子或分子按照我们想要的方式排列，就会获得千变万化的性能。”刘云圻说，这些性能是宏观制造难以获得的。需要深入认识微观分子的反应和组装规律，掌握材料的基本物理性质，进而构筑新型柔性微纳器件，以满足未来对人造智慧体制备的需要。
此外，二维材料制造时的实时在线检测，对其生长的严格控制也十分关键。国家纳米科学中心研究员谢黎明介绍，为了揭示相关二维材料的生长机制，团队研发了高温原位光学成像技术，可在化学气相沉积系统内植入高温显微成像镜头，实现950℃下1微米空间分辨率的二维材料生长实时成像，从而揭示二维材料的生长动力学与生长机制，获得其生长速率、扩散速率等关键参数。
工欲善其事，必先利其器。基于高分辨率的在线观测，以及离线的扫描透射电子显微镜成像数据，团队发展出液相边缘外延生长方法和设备，实现了二硫化钼的全单层生长。
中国科学院物理研究所研究员张广宇团队则基于高质量二维二硫化钼晶圆生长的基础，通过界面缓冲层控制的新策略，在工业兼容的C面蓝宝石衬底上成功外延生长出2英寸的单层二硫化钼单晶薄膜。相较于硅，二硫化钼具有更强的电子控制能力，被认为是制造下一代芯片的理想材料。
瞄准功能“定制”目标
如何使用大规模集成二维材料制备的晶体管，制备运算速度更快、更省电的芯片？这样的芯片究竟长什么样？
张广宇说，从操控原子出发形成最终产品，使其具备结构上的原子精准和功能上的“定制”，是继微纳制造之后的下一代制造技术。当前，原子尺度的相关产品处于萌芽阶段，更多技术路线正在不断研发中。
“后摩尔时代的计算机芯片需要在工艺和架构方面突破经典架构，其中兼容半导体工艺的固态量子计算芯片是一种有竞争力的技术路线。”西安交通大学材料学院自旋电子材料与量子器件研究中心教授潘毅介绍，由高度相干的全同量子点构成的量子比特是构成固态量子芯片的基本单元。
为了制造全同的人工量子点，潘毅团队与德国PDI研究所合作，利用扫描隧道显微镜进行原子操纵，在砷化铟表面构筑了多个全同性良好的人工量子点。这种方法有望成为未来固态量子计算所需的大规模耦合量子点阵列的重要制造方式。
与会专家表示，以定向自组装诱导图形化工艺技术、冷阴极并行电子束直写刻蚀装备技术、大规模扫描探针装备技术、X光光刻装备技术等为代表的加工技术也在不断完善和发展，为工业级别的大规模原子制造提供支撑。
