【中國科學(xué)報】在香山科學(xué)會議第789次學(xué)術(shù)討論會上，專家們共話——“原子級制造”時代有哪些關(guān)鍵問題？????
蘇州的午后，陽光炙熱。在一座不起眼的灰白色大樓內(nèi)，長達227米的銀色超高真空管道，互聯(lián)起50余臺大型設(shè)備，研發(fā)人員正有條不紊地開展實驗。
這里是中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）的NANO-X納米真空互聯(lián)實驗站，也是地球上最接近月球真空環(huán)境的大型科研場所。
近日，在香山科學(xué)會議第789次學(xué)術(shù)討論會期間，數(shù)十名與會專家走進納米真空互聯(lián)實驗站，參觀其在信息材料與信息器件領(lǐng)域的突破性進展。
中國科學(xué)院院士薛其坤表示：“未來信息器件如何在前期預(yù)研的真空互聯(lián)實驗裝置上實現(xiàn)原子級制造，其中有很多科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)值得討論?！?/p>
本次香山科學(xué)會議聚焦“‘信息器件原子級制造實驗裝置’關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題”的主題，來自物理、化學(xué)、材料、人工智能（AI）、精密儀器等領(lǐng)域的專家齊聚一堂，圍繞原子級制造核心科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)開展深入研討。
小原子、大裝置
原子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本組成單元，直徑通常在0.1納米量級，不到人類頭發(fā)絲的100萬分之一。原子級制造是將原子精準操控、按需構(gòu)筑，創(chuàng)制特定功能的材料或器件，是我國具有戰(zhàn)略性、引領(lǐng)性的未來產(chǎn)業(yè)之一。
“原子級制造有望顛覆傳統(tǒng)制造范式，引發(fā)基礎(chǔ)科學(xué)突破以及產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革?！碧K州納米所研究員、NANO-X納米真空互聯(lián)實驗站主任張珽介紹，尤其是集成電路芯片中的核心信息器件工藝已經(jīng)達到了2納米節(jié)點制程，正在向“原子級制造”時代邁進。
然而，原子級操控對設(shè)備、系統(tǒng)以及基礎(chǔ)設(shè)施裝置的要求極高，需要盡最大可能排除外界環(huán)境因素的干擾。
“傳統(tǒng)常規(guī)超凈間的大氣環(huán)境已無法滿足需求，特別是氧、碳、水氣分子等對原子級材料和器件性能帶來致命的不利影響?！睆埇E表示，在超高真空條件下，材料的本征物理化學(xué)性質(zhì)得以長時間保持，有望制造出接近理論極限性能的器件。專家們一致認同超高真空互聯(lián)技術(shù)已成為原子級制造不可或缺的條件。
“然而，當(dāng)前國內(nèi)外缺少針對原子級制造的系統(tǒng)性基礎(chǔ)設(shè)施?！敝袊茖W(xué)院院士、納米真空互聯(lián)實驗站學(xué)術(shù)委員會主任遲力峰告訴《中國科學(xué)報》。納米真空互聯(lián)實驗站將建設(shè)AI賦能的超高真空互聯(lián)的原子級材料創(chuàng)制、原子級器件加工和原子級高分辨分析檢測三大平臺，以期為我國下一代集成電路等信息器件的發(fā)展創(chuàng)新構(gòu)建原子級制造新技術(shù)路線，在原子級制造重大科學(xué)前沿領(lǐng)域形成前瞻性的戰(zhàn)略布局和系統(tǒng)突破。
張珽介紹，作為基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)研，納米真空互聯(lián)實驗站已聚焦Ⅲ~V族納米材料和器件、高溫超導(dǎo)材料和器件、表面催化和納米能源、二維材料與器件等領(lǐng)域的共性難題，開發(fā)了多學(xué)科交叉的、可控條件下的新技術(shù)、新工藝、新材料。
同時，工藝技術(shù)和工程實踐的突破也帶動科學(xué)研究的深化。“原子級制造的機制不再屬于經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域，而是量子力學(xué)的范疇，需要同步開展科學(xué)研究的探索?！边t力峰說。目前，納米真空互聯(lián)實驗站已開展合作課題780個，服務(wù)超280家用戶，取得了系列重要科研成果，申請核心專利380項，已授權(quán)106項。
吹響關(guān)鍵技術(shù)“沖鋒號”
“當(dāng)前信息器件原子級制造研究領(lǐng)域仍面臨原子級材料按需創(chuàng)制、高時空分辨動態(tài)表征、原子級器件精準加工三個關(guān)鍵問題。”張珽表示，這也是本次香山科學(xué)會議的焦點。
在材料方面，隨著集成電路進入2納米技術(shù)節(jié)點，摩爾定律逼近物理極限，研制面向1納米及以下制程的下一代集成電路信息材料與器件成為全球焦點。
“原子級二維半導(dǎo)體材料是開發(fā)2030年‘后摩爾時代’芯片最受矚目的材料體系之一，其晶圓級精準創(chuàng)制及異質(zhì)集成是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。”武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長何軍指出。
二維半導(dǎo)體憑借其原子級厚度和卓越的電學(xué)性能而廣受關(guān)注，但受制于工藝精度與均勻性的協(xié)同良率控制，能否將其應(yīng)用于集成電路存在爭議。
北京科技大學(xué)教授張錚基于長期二維半導(dǎo)體材料研究，分享了2英寸單晶單層二硫化鉬高質(zhì)量生長方面的工作，并建設(shè)了6英寸二維半導(dǎo)體材料與原型器件試驗平臺，充分驗證了二維半導(dǎo)體材料在集成電路應(yīng)用的可行性。
但實際上，任何晶體都存在不完美的地方。其中，半導(dǎo)體點缺陷是晶體中原子尺度的局部缺陷，影響材料的電子性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對半導(dǎo)體表征分析提出更高要求。
中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研究員申德振基于長期觀察研究，分享了單原子級分辨的拉曼振動光譜表征分析技術(shù)，并進一步探尋該技術(shù)在硅基半導(dǎo)體原子制造器件與芯片檢測、單原子尺度精準的半導(dǎo)體量子器件制造等領(lǐng)域的發(fā)展前景。
在信息器件原子級制造方面，中國科學(xué)院微電子研究所研究員汪令飛以跨尺度器件原子級TCAD（半導(dǎo)體工藝模擬及器件模擬工具）技術(shù)為例指出，真實器件越小，對其仿真模擬越困難，多尺度下的物理機制與協(xié)同優(yōu)化方法越復(fù)雜，需要探索在盡可能降低精度損失基礎(chǔ)上提升仿真效率的方法。
AI賦能原子級制造
“隨著技術(shù)的發(fā)展，研究范式已從實驗、計算、理論的‘三足鼎立’變?yōu)椤姆痔煜隆?，?shù)據(jù)成為新增的關(guān)鍵變量?！敝袊嗣翊髮W(xué)物理學(xué)系吳玉章講席教授季威表示。
當(dāng)前，基于人工設(shè)計思路或融合生成模型的高通量計算仍是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)制新材料的主要驅(qū)動力?！霸佥o助以實驗結(jié)果的主動學(xué)習(xí)，有望系統(tǒng)回答新材料創(chuàng)制的核心問題。”季威說，“在材料創(chuàng)制和器件構(gòu)筑過程中，機器學(xué)習(xí)原子間勢函數(shù)已成為提高模擬效率、延長模擬時間、擴展模擬尺度的關(guān)鍵技術(shù)工具，以前是先實驗、再計算，而伴隨AI技術(shù)的發(fā)展，未來將變成先計算、再實驗?！?/p>
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授羅毅則指出，原子級制造將重塑半導(dǎo)體、能源等產(chǎn)業(yè)格局，但目前仍存在超大規(guī)模材料結(jié)構(gòu)、組分精準構(gòu)筑與功能優(yōu)化等關(guān)鍵瓶頸，阻礙著新材料創(chuàng)制。
“AI機器化學(xué)家系統(tǒng)可為此提供數(shù)據(jù)比特驅(qū)動的解決方案?！绷_毅表示，AI模型的精準度依賴于數(shù)據(jù)的規(guī)模和精度。機器化學(xué)家系統(tǒng)兼具文獻讀取、合成、表征、性能測試、機器模型建立和優(yōu)化等能力，可以全自動完成全流程科研任務(wù)，并通過實現(xiàn)高通量數(shù)據(jù)采集，建立起高質(zhì)量、全生命周期的數(shù)據(jù)庫，推動原子級制造向智能化制造轉(zhuǎn)型。
羅毅以原子層沉積和單原子催化劑高通量篩選為例，介紹了AI機器化學(xué)家的基本形態(tài)和工作方式?！耙獦?gòu)建‘知識-數(shù)據(jù)-算法-算力-實驗’全鏈路的智能基礎(chǔ)設(shè)施?！绷_毅解釋道，其中包括集中式智能平臺、分布式創(chuàng)新設(shè)施，力爭在新材料、能源催化、生命健康等領(lǐng)域解決相關(guān)原子經(jīng)濟性問題。
“在高分子材料設(shè)計中，AI能夠基于全量特種高分子知識庫，實現(xiàn)跨類別推薦，超越人類專家實現(xiàn)‘材料牽引’?！敝袊茖W(xué)院化學(xué)研究所研究員江劍表示，AI要謹防“大肚子模型”，即模型大，但真實數(shù)據(jù)少，極易導(dǎo)致嚴重的幻覺問題。
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