庄黎伟：原子级制造的虚拟仿真探索 | 2025科创大会

庄黎伟 华东理工大学化工学院副教授

2025年9月11日，华东理工大学化工学院联合美国约翰霍普金斯大学等高校和机构，在《自然-化学工程》发表论文Spin-on deposition of amorphous zeolitic imidazolate framework films for lithography applications，介绍了可以面向工业应用的晶圆级光刻胶沉积技术。

这是目前全球可能的下一代的光刻路线，也反映了集成电路领域践行着的奥林匹克格言——更高（晶体管密度）、更快（运算速率）、更强（芯片性能）。

什么是原子层沉积？

原子级制造是将原子按需垒砌，构筑原子级精准、完美，且具备从物性上远超常规块材的产品，被科技界视为人类改造物质世界的终极能力之一。原子级制造不是一个具体技术，而是一个技术群，具备原子级精度按需制备的特征。

目前，原子级制造存在三大挑战：一是精度问题；二是范围问题，即制造芯片时不是局限在某若干个晶体管，而是整片晶圆；三是效率问题。

原子级制造是中国制造实现引领的战略选择之一，也是未来六大产业之一，其他还包括未来信息、未来空间、未来材料、未来能源和未来健康。其中，本人长期从事的原子层沉积（ALD）就是代表性原子级制造技术之一。

类似于“灰尘”沉积在地面，原子层沉积是把原子沉积到相应的器件表面——在一个容器里面，通过一些流体力学和化学反应方法，将介质沉积到基底表面。

比如制造芯片的时候，我们要沉积不同的介质，包括通过沉积方式制备先进的下一代光刻胶。在此过程中，原子层沉积的对象是晶圆——晶圆上面有很多纳米孔，我们需要在这些孔内壁沉积，类似于水井内壁表面“涂水泥”（沉积单原子层的薄膜）。

原子层沉积是原子级制造的核心基础，在光电材料（OLED显示、太阳能电池）、纳米技术（集成电路、分离膜）、能源动力（电池、高能燃料）、柔性电子（电子皮肤、柔性显示）等领域具有巨大的应用前景。

仿真平台的应用价值

基于原子层沉积本身原理及其在原子级制造中的关键作用，我们开发了原子层沉积（ALD）工艺与装备仿真平台。平台会追踪沉积原材料的源头（物理化学性质）、储存（在容器里的表现）以及输送过程（如何通过输送管道达到沉积场所）。然后，前驱体进入装备，会进行流体分布，最终在不同基底（例如晶圆、纳米材料）上沉积薄膜。上述平台就是为了指导整个原子层沉积工艺，不论芯片还是先进装备底层零部件，我们追求性能极致就要完成相应的极致制造。

目前，我们的ALD工艺与装备仿真平台已成功应用于国内外先进光刻胶沉积工艺、存储芯片ALD工艺、ALD前驱体钢瓶与工艺、钙钛矿太阳能电池ALD机台等场景。例如前文提到的论文，就是面向下一代光刻的薄膜沉积技术。

我们关心的芯片性能，其实涉及非常庞大的产业，这也是芯片制造的难度所在——需要整个流程不同产业、不同企业进行协同合作，包括材料公司、零部件公司、装备公司以及终端用户，一起探讨需要什么材料、如何用好材料等。

展望未来，华东理工大学集合工艺与装备仿真、工艺器件实验、平台运营、前驱体材料、半导体设备5家优势单位组成创新联合体，将进行项目联合攻关，解决尖端制造的共性难题。

比如全球科技竞争，我们考虑的不仅是产品性能更好，还要性价比更高。解决这些问题，原子级制造的虚拟仿真平台是核心基础。我们搭建的平台，将不同的企业连接其中，基于他们的需求，在材料、零部件、装备或是工艺等方面提供相应的技术方案。

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