k8凯发(中国)天生赢家·一触即发

　　天生赢家 一触即发凯发K8国际首页ღ✿✿，k8凯发国际官网ღ✿✿，k8凯发·(中国区)天生赢家一触即发ღ✿✿，笔者很认真地学习“原子级制造”的概念和理念ღ✿✿，逐渐对原子团簇方法如何担当原子级制造的重要角色有了初步认识ღ✿✿。尚未入门就班门弄斧ღ✿✿，这是笔者的不良习惯ღ✿✿。但能写几段ღ✿✿，总比两手空空好ღ✿✿。为文可能错误很多ღ✿✿，恭请读者谅解ღ✿✿！

　　原子级制造ღ✿✿，作为面向未来高端制造的有力选项ღ✿✿，正在勃发而起ღ✿✿。最近的两个事件ღ✿✿，可以佐证之ღ✿✿：(1) “原子级制造ღ✿✿：前沿与应用”Nature国际会议ღ✿✿，于2025年11月12日-14日在南京大学举办 [会议网站ღ✿✿：凯发天生赢家一触即发ღ✿✿。会议热烈之度比笔者想象的要高ღ✿✿，即便是在这国际合作环境艰难的时期ღ✿✿。(2) 如报端和媒体显示ღ✿✿，国家基金委和科技部等科研支持机构ღ✿✿，似乎都在布局原子级制造支撑体系 [公告举例ღ✿✿：ღ✿✿。如此一来ღ✿✿，对与高端制造业联动的各行各业而言ღ✿✿，原子级制造箭在弦上ღ✿✿，既不得不发ღ✿✿、却自发而发ღ✿✿，不可回头ღ✿✿。

　　作为机械工程系毕业的本科生和研究生ღ✿✿，笔者当然知道什么是老的ღ✿✿、经典的机械制造范式与制造业ღ✿✿。不过ღ✿✿，笔者在本科实习期间制造过一只小榔头ღ✿✿，作为制造系大学生的实践课程ღ✿✿。结果ღ✿✿，考试成绩只有将将及格的60分^_^(显然是老师放水的结果)ღ✿✿，显示笔者实际上是花架子一座ღ✿✿。随后ღ✿✿，笔者也经历了微纳加工制造发展的非凡时代ღ✿✿，对现代高端制造也有一些认知ღ✿✿。虽然这一硕大产业的技术和学科分类归档是如此纷繁复杂ღ✿✿，但当下的高端制造ღ✿✿，以芯片制造最为光辉灿烂ღ✿✿、最为典型ღ✿✿。图1(A)是一座芯片制造车间的示意图景ღ✿✿，令人印象深刻ღ✿✿。诚然ღ✿✿，芯片制造并不代表制造业全部ღ✿✿，但如果高端芯片制造能被顺利拿下ღ✿✿，其它精密制造业的瓶颈与挑战也就可迎刃而解ღ✿✿。因此ღ✿✿，本文对高端制造的谈论ღ✿✿，落脚于微加工主导的芯片制造ღ✿✿，如果不另行定义的话ღ✿✿。

　　芯片制造的核心ღ✿✿，是拥有成熟的微加工技术体系ღ✿✿，如图1(B)所示ღ✿✿。该体系可大致划分为精确堆砌(简言之“沉积”)和精确去除(简言之“刻蚀”)两大类ღ✿✿，两者均需满足几个要求ღ✿✿：空间上精确(精度)ღ✿✿、结构上完整(无缺陷ღ✿✿、稳定性高)ღ✿✿、工艺上可靠(良率高)ღ✿✿、可大规模制造ღ✿✿。一个具体的实例ღ✿✿，即芯片中一个动态随机存储DRAM单元的制造过程ღ✿✿，示意性展示在图1(C)中ღ✿✿。这一体系ღ✿✿，已然深入到纳米级加工精度ღ✿✿，且正向原子级精度挺进ღ✿✿。有些极端加工ღ✿✿，据报精度已到0.1 nmღ✿✿、即亚原子级或单原子水平ღ✿✿，给一般读者的感觉是ღ✿✿，人类不久将步入“原子级制造”时代ღ✿✿。现在ღ✿✿，学术界和制造业又提出“原子级制造”新赛道ღ✿✿，会让一些领域内外的读者有所踌躇ღ✿✿：这真的是一个新赛道吗？新在哪里呢？真的需要一个新赛道吗？这种疑惑ღ✿✿，已在过去几年的争论和实践中得到肯定回答ღ✿✿。本文立足于此ღ✿✿，用沧海一粟作补充支持ღ✿✿。

　　(A) 芯片加工层间示意ღ✿✿；(B) 半导体芯片制造的主要流程图ღ✿✿；(C) 一个DRAM 内存单元的制造过程ღ✿✿，大概体现了微纳尺度沉积与刻蚀的交替进程ღ✿✿。

　　经历了过去几年的发展ღ✿✿，原子级制造的现状到了哪一步ღ✿✿，笔者作为外行不便评估ღ✿✿。在刚刚举办的这个Nature国际会议中ღ✿✿，笔者一直坐在第一会场(基础探索类别)聆听各位高手“争奇斗艳”ღ✿✿，虽然也就是听一个热闹ღ✿✿。留给笔者的大致印象是ღ✿✿：(1) 海外欧美学者(来参加者不多)ღ✿✿，依然更关注少数几个原子(few-body problem)的“真实”原子制造和表征ღ✿✿，即真真切切的原子加工ღ✿✿，包括原子成像与操控这样的高尖端技术ღ✿✿。其优雅与精细并称ღ✿✿、基础探索意涵与操控表征方法兼具ღ✿✿。他们的成果ღ✿✿，目前看ღ✿✿，大概远不能企及集成电路制造那般的宏大规模化生产ღ✿✿。但是ღ✿✿，他们的目标显然更加天马行空ღ✿✿、更着力于从头开始的那种探索ღ✿✿，似乎并不热心于当前的高端制造如何继续推进到原子尺度ღ✿✿。这ღ✿✿，体现了他们的科研文化中那些让物理人欣赏的味道或品味ღ✿✿。(2) 国内学者ღ✿✿，则更关注微纳加工科技向更小尺度拓展ღ✿✿，更加接应用之地气ღ✿✿，更加靠近当前高端制造的需求ღ✿✿，因此看起来更加倾向于将微加工向原子级终端制造推进(如果未来不会出现操控单个孤立电子的制造)ღ✿✿。这也体现了我国科研文化的传统味道或品味ღ✿✿。

　　再说一遍ღ✿✿，这只是大致印象ღ✿✿，不能概全ღ✿✿！两类研究风格ღ✿✿，无法以“孰是孰非”评说ღ✿✿，但风格迥异的画面却真真切切ღ✿✿。这种泾渭分明之态(相信还在演化之中)ღ✿✿，让笔者觉得原子级制造的新赛道仍然有很强的探索styleღ✿✿。它虽至为关键ღ✿✿，却尚未完全成型ღ✿✿，还需要从多个视角去深度探索ღ✿✿。而对其中进程的点滴学习与分享ღ✿✿，是笔者外行凑热闹撰写本文的主要动机ღ✿✿。

　　理解这一新赛道ღ✿✿，首先需要明了当前认知中的“原子级制造”主元素是什么？有了这“纲举”ღ✿✿，才好去“目张”ღ✿✿，这是笔者从南大原子制造帅哥教授宋凤麒那里学到的认识论ღ✿✿，未知是否全面ღ✿✿。其次ღ✿✿，即是基于这些主元素ღ✿✿，去一一对照ღ✿✿、归类当前原子级制造之路上的风景ღ✿✿。最后ღ✿✿，便是学习领会这新赛道中物理人正在尝试的克难致胜之法ღ✿✿。这是一个长期的话题ღ✿✿，需要不断更新ღ✿✿、拓展与深化ღ✿✿。姑且就“且写且珍惜”吧ღ✿✿。

　　笔者学习下来ღ✿✿，目前的领会是ღ✿✿，发展原子级制造ღ✿✿，有三大主元素需要面向ღ✿✿：(1) 新物质(分子和介观结构)的创制ღ✿✿；(2) 材料性能的变革性提升ღ✿✿；(3) 真正的原子级精度加工ღ✿✿。笔者更愿意以三个粗暴词语来概括之ღ✿✿，即(原子级) 创制ღ✿✿、改性ღ✿✿、加工ღ✿✿，共六个字ღ✿✿。不过ღ✿✿，原子级制造还有一个前提条件ღ✿✿：即大规模制造的潜力与可行性(easily scalable)ღ✿✿。这是所有制造技术的前提和约束ღ✿✿。在原子级制造这一新高地中耕耘的物理人ღ✿✿，需要牢记这一前提ღ✿✿，并真正根植于三大主元素中ღ✿✿。产业界目前对基于STM 针尖读写操控技术的态度ღ✿✿，大概亦源于这一前提的暂时缺失ღ✿✿。

　　关于主元素(1)ღ✿✿，新物质创制ღ✿✿，是原子分子物理的主要内涵之一ღ✿✿。过去数十年ღ✿✿，这一学科所挖掘之新物质ღ✿✿，如细水长流ღ✿✿、愈久弥香ღ✿✿。走向原子级制造存在的问题ღ✿✿，是如何能显著提高创制新物质的速度和效率ღ✿✿。要是能“一朝尽得无限江山”ღ✿✿，那才是真好ღ✿✿。这里的新物质ღ✿✿，少到 2 个原子(其实1个原子也很好)ღ✿✿，多到并无特定边界ღ✿✿。但如果以分子为物质创制基元ღ✿✿，则绝大多数分子包含的原子数目大约在1000个原子以内ღ✿✿：这个1000ღ✿✿，是一个luck-numberღ✿✿，不妨记住ღ✿✿。如果对包含2 - 1000个原子以内ღ✿✿、可能的分子物质数目进行数学上的排列组合(这里不能讲大数极限下的热力学和基态)ღ✿✿，则新物质的种类将会是一个巨大的天文数目ღ✿✿。诚然ღ✿✿，人类已认知的有机超分子ღ✿✿、聚合物分子和生物大分子ღ✿✿，包含有数百万原子ღ✿✿。但是ღ✿✿，那不过是由单分子重复拼接组装而成的超分子(链)ღ✿✿，不应纳入这里的新物质类别ღ✿✿。

　　关于主元素(2)ღ✿✿，显然是纳米材料的核心课题ღ✿✿。纳米尺度和基于此的各种材料科学考量ღ✿✿，过去数十年取得的成果堆积如山ღ✿✿。形成的共识是ღ✿✿，纳米尺度对提升材料性能有重要意义ღ✿✿。但是ღ✿✿，到了原子尺度ღ✿✿，材料性能变革有无巨大飞跃？目前的微纳材料合成制备ღ✿✿，已能将纳米材料尺寸做到5 nm 甚至更小ღ✿✿。5 nm 是多大？估算一个ღ✿✿，大约包含3000个原子ღ✿✿。原子级制造再进一步ღ✿✿，将颗粒尺寸整到2 nm以下ღ✿✿，大约包含1000个原子ღ✿✿。OKღ✿✿，既然主元素(1) (2)的认知都落在这1000个原子ღ✿✿，姑且就以1000个原子为临界线ღ✿✿，“主观”划定纳米科技尺寸与原子级制造尺寸之间的界限ღ✿✿。

　　而主元素(3)凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，“加工”ღ✿✿，才是本文讨论的主题ღ✿✿。与主元素“创制”和“改性”比ღ✿✿，“加工”似乎更能体现“制造”的狭义内涵ღ✿✿。一般读者听到“制造”ღ✿✿，多先入为主理解成“加工”ღ✿✿。“原子级制造”这一名称ღ✿✿，原本就是从“原子制造”演化而来ღ✿✿。原名似乎更体现了创制的意涵ღ✿✿，即制造新的“原子器件”ღ✿✿。现名ღ✿✿，则具有了明显的“加工”味道ღ✿✿。“原子制造”与“原子级制造”一字之差的相互拉扯ღ✿✿，正显示了个体物理人和制造业共识之间的拉扯ღ✿✿。换句话说ღ✿✿，一个好的加工技术ღ✿✿，可能得是两者间的妥协与中和体ღ✿✿。

　　既然“加工”更具有制造的味道ღ✿✿，原子级制造就需要强化原子级精度的加工技术ღ✿✿，亦应该是原子级制造的重要着力点ღ✿✿。

　　该参考文献作者对加工精度演化总结得很好ღ✿✿。笔者的学习体会是ღ✿✿：以精度为目标的制造业演化ღ✿✿，大概有如图所示的三个阶段ღ✿✿：Iღ✿✿、II和IIIღ✿✿，虽然这种划分有一定随意性ღ✿✿。图中阴影区的上界线ღ✿✿，似乎可理解为去除(磨抛刻蚀)的精度演化边界ღ✿✿；下界线似乎可理解为堆砌(沉积)的精度演化边界ღ✿✿。可看到ღ✿✿，沉积可控精度比刻蚀可控精度总是要高很多ღ✿✿，显示出加工两端在技术上的差异性ღ✿✿：高精度刻蚀ღ✿✿，还是要比沉积困难很多ღ✿✿。到了2000年代ღ✿✿，沉积技术以ALD (atomic layer deposition)为主ღ✿✿、刻蚀技术以ALE (atomic layer etching)和CMP (chemical mechanical polishing)为主ღ✿✿。而STM这类单个原子加工技术ღ✿✿，依然是制造精度的极限ღ✿✿：既然是极限ღ✿✿，就是大规模制造难以企及之地ღ✿✿。

　　如上所言ღ✿✿，现代高端制造中的加工ღ✿✿，包括当前热门的3D精密打印ღ✿✿，当可归属于“精密堆叠(沉积)”和“精密去除(刻蚀)”两大类ღ✿✿。一加一减ღ✿✿，都要做到极致ღ✿✿、做到原子级ღ✿✿。展示加工过程的演化ღ✿✿，用图2所示这般历史图景很合适ღ✿✿。感兴趣的读者可以参阅图题和给出的文献ღ✿✿。

　　现代芯片制造环节ღ✿✿，用感性的话说ღ✿✿，就是在一片硅晶圆上反复堆砌-去除(沉积-刻蚀)ღ✿✿，循环数次ღ✿✿、数十次甚至近百次的过程ღ✿✿！整个过程极为“铺张”和“浪费”ღ✿✿：首先ღ✿✿，堆砌的物质要结构密实ღ✿✿、尺寸精到ღ✿✿，例如厚度越精确越好玛雅论坛最新ღ✿✿。其次ღ✿✿，要对这些物质实施定点清除ღ✿✿，留下所需要的点点线线ღ✿✿。如果要按照体积百分比算ღ✿✿，“铺张浪费”之后90 % 以上的物质都可能被清洗掉ღ✿✿。从这个角度展望ღ✿✿，经济学也可能是未来原子级加工产业的一部分ღ✿✿。当然ღ✿✿，芯片制造的整个过程也极为“神奇”和“美妙”ღ✿✿，就如高端艺术创作ღ✿✿，结构视觉ღ✿✿、加工过程均美轮美奂ღ✿✿、巧夺天工ღ✿✿。从这个角度展望ღ✿✿，人类将巨大人力物力投入其中ღ✿✿，也是科技文明的一种表象ღ✿✿。

　　首先ღ✿✿，是精确堆砌(沉积)ღ✿✿。虽然化学人和材料人发展了很多自组装沉积方法ღ✿✿，但能够规模化的高精度沉积ღ✿✿，还是自上而下的沉积方法ღ✿✿，以达到逐层添加原子ღ✿✿、形成精确结构ღ✿✿。

　　原子沉积方法很多ღ✿✿。从早期微米精度的物理溅射(电子束蒸发ღ✿✿、离子束溅射ღ✿✿、磁控等)ღ✿✿、化学湿法涂层ღ✿✿、物理化学兼备的CVD沉积ღ✿✿，到纳米和原子级精度的高端沉积ღ✿✿，发展周期很长ღ✿✿。到今天ღ✿✿，适用于薄膜生长和三维器件构建等场景的主流沉积技术ღ✿✿，就是“原子层沉积 atomic layer deposition, ALD)”和“分子束外延molecular beam epitaxy, MBE)ღ✿✿。它们各有侧重ღ✿✿、互为补充ღ✿✿。特别是ALDღ✿✿，直接而粗暴ღ✿✿、大用而至简ღ✿✿。

　　ALD是化学气相沉积CVD的一种改进版ღ✿✿：通过精确管路流量操控和高温气体喷雾ღ✿✿，定量或交替注入反应气体到生长腔内ღ✿✿。这些气体ღ✿✿，作为反应物ღ✿✿，在加热基片上发生自限性反应(所谓自限ღ✿✿，简单理解就是反应物耗尽而使得反应自动终止)ღ✿✿，因此每次只能生长一层原子厚度的薄膜(monolayer)ღ✿✿。ALD的一个循环周期ღ✿✿，大概示意如图3(B)中间(one ALD cycle)ღ✿✿。此循环不断重复ღ✿✿，实现所需的可控原子级沉积ღ✿✿。

　　从原子沉积机理角度看ღ✿✿，ALD 沉积更多是一种限制性ღ✿✿、近平衡的生长模式ღ✿✿，沉积过程产生缺陷(或者imperfection)少ღ✿✿。特别值得提及的是ღ✿✿，因为是稀薄气相沉积ღ✿✿，气体可轻易进入微纳狭小空间内ღ✿✿，是能够在尺寸精微ღ✿✿、形状复杂的三维微纳结构表面上沉积材料的独到技法ღ✿✿。它适合于那些高度立体化结构的制备ღ✿✿，如3D NANDღ✿✿、GAA 晶体管等堆砌制造ღ✿✿。

　　ALD的厚度控制可达 0.3 nm水平ღ✿✿，算得上是空间精确控制的极限技术之一ღ✿✿。其工业化应用ღ✿✿，已持续许多年ღ✿✿，特别是经过半导体和芯片工业大规模应用和不断迭代ღ✿✿，已形成高度技术化和程序化的产品ღ✿✿。那些叠代产品的名称很多ღ✿✿，令人眼花缭乱ღ✿✿。例如ღ✿✿，为了在不升高基片温度的前提下提高反应活性ღ✿✿，多采用等离子体(plasma)活化方案ღ✿✿，即所谓等离子体辅助ALD (plasma-assisted ALD)ღ✿✿。一些成熟的ALD 装备ღ✿✿，如先进半导体装备公司的产品ღ✿✿，厚度与线 nm以下ღ✿✿，已没有问题ღ✿✿。

　　ALD方法存在的问题ღ✿✿，if anyღ✿✿，也是可以说道的ღ✿✿。首先ღ✿✿，大面上ღ✿✿，此法具有很强的工艺性ღ✿✿，技术参数要求严格ღ✿✿，适合于在单一性规模生产中使用ღ✿✿。其次ღ✿✿，此法应用广泛ღ✿✿、影响深远ღ✿✿，在技术和产业上形成了对新生代技术的压迫和制约ღ✿✿。再次ღ✿✿，针对不同的沉积材料ღ✿✿，能够满足要求的反应性气源数量偏少ღ✿✿。目前能被使用的ღ✿✿、可控自限性前驱体ღ✿✿，不但数量有限ღ✿✿、毒性也较高ღ✿✿，令人稍感遗憾ღ✿✿。

　　最后ღ✿✿，是沉积技术上的挑战ღ✿✿：工业使用的ALD工艺ღ✿✿，基片温度依然不低(~ 500 oC甚至更高)ღ✿✿，再加上等离子体plasma活化进程ღ✿✿，沉积层与基片之间的扩散不可避免(扩散厚度据说可达10 nm)ღ✿✿。图3(C)所示是其中一个仿真例子ღ✿✿，显示Ar等离子体作用下Si表面的氧化和扩散进程ღ✿✿。反应性气体对基片表面可能的腐蚀作用ღ✿✿、为获得良好结晶而施加等离子体辅助沉积导致的界面损伤ღ✿✿，也是实际应用中存在的问题ღ✿✿。虽然图3(C)所示可能有夸张之嫌ღ✿✿，但从这个意义上将ALD与原子制造紧密联系起来ღ✿✿，稍感勉强ღ✿✿。

　　所谓MBEღ✿✿，已是众所周知的薄膜生长技术ღ✿✿，不在此啰嗦ღ✿✿。大概流程是ღ✿✿，在超高真空环境下ღ✿✿，将一束或几束原子束或分子束流ღ✿✿，以精确的流量配比喷射到基底表面ღ✿✿，形成高品质ღ✿✿、超薄ღ✿✿、超纯的单质或化合物单晶薄膜ღ✿✿。这是已有薄膜生长技术中控制精度最高ღ✿✿、薄膜晶体质量最好的原子级沉积方法ღ✿✿。这一技术累积多年ღ✿✿，主要集中于前沿领域探索ღ✿✿，包括超晶格ღ✿✿、异质结ღ✿✿、量子阱等展示本源物理的材料制备ღ✿✿。它追求对物质结构的极致操控ღ✿✿，推动了凝聚态物理和纳米科技的发展ღ✿✿，被推崇为是妥妥的“原子级雕刻刀”ღ✿✿，虽然产业化应用并无优势ღ✿✿。

　　MBE 存在的问题在于ღ✿✿：原子束沉积对真空度ღ✿✿、热分子束源及沉底晶体学质量有很高要求ღ✿✿。首先ღ✿✿，与ALD类似ღ✿✿，沉积温度难以降低到根本阻断界面扩散的程度ღ✿✿。其次ღ✿✿，MBE基于分子束直接沉积ღ✿✿，更适合于平面化生长ღ✿✿。如果衬底上有深度3D微纳结构ღ✿✿，分子束喷射阴影效应难以避免ღ✿✿。也即是说ღ✿✿，MBE难以将沉积物质均匀覆盖在每一3D结构细节深处ღ✿✿，这是对比ALD的巨大劣势ღ✿✿。最后ღ✿✿，包括超高真空和昂贵的原子级实时探测装备如RHEEDღ✿✿，使得MBE使用成本较高(据说数英寸的MBE设备价格达到数千万元ღ✿✿、维护成本亦极高)ღ✿✿。从这个意义上ღ✿✿，这一技术的规模产业应用受到限制ღ✿✿。虽然也有很多改进的变种技术ღ✿✿，但似乎依然未出闺门ღ✿✿。

　　如果要问ALD和MBE两大技术的优缺点和相互关系ღ✿✿，回答大意如此ღ✿✿：ALD与MBE并非替代关系ღ✿✿，而是互补技术ღ✿✿。前者巧妙利用气源的高扩散性ღ✿✿，擅长“立体结构”的原子级均匀沉积ღ✿✿；后者专注于“平面原子级生长”ღ✿✿。在原子级制造的发展大潮中ღ✿✿，两者未来也许可以形成3D + 2D互补ღ✿✿、便利于各自施展浑身解数的集成技术ღ✿✿。

　　从规模化和长远视角看ღ✿✿，成本高ღ✿✿、可变性弱ღ✿✿、专用性强和复杂加工挑战大的问题ღ✿✿，是推动发展原子级加工之主要驱动力ღ✿✿。从原子级堆砌角度审视ღ✿✿，如果能有一些具有一定普适性ღ✿✿、扩展性的通用化原子级堆砌技术ღ✿✿，那就好了ღ✿✿。

　　(A) 学者梳理出来的原子级加工三大分支及其应用前景ღ✿✿。(B) 原子级加工的主流技术atomic layer etching/deposition (ALEt / ALD)之循环原理ღ✿✿：上部是原子层刻蚀循环进程ღ✿✿，中部是原子层沉积循环进程ღ✿✿，下部是自限终止机制的表现ღ✿✿。(C) 在ALD 和ALE 过程中界面扩散和氧化模拟结果ღ✿✿，显示出严重的氧化与扩散ღ✿✿。注意到ღ✿✿，50 eV能束ღ✿✿，其实并不高ღ✿✿。一般工业化应用200 eV能束ღ✿✿，不是什么超常需求ღ✿✿。(D) Si基片微加工的完整循环示意图ღ✿✿，显示出原子层沉积与刻蚀交替进行ღ✿✿，最后得到芯片阵列结构ღ✿✿。

　　如前提及ღ✿✿，对芯片制造涉及的堆砌-去除之循环ღ✿✿，实话说堆砌比去除要相对容易ღ✿✿，因为去除涉及到破坏进程ღ✿✿。破坏过程终归是需要高的外赋能量的ღ✿✿。只要有外赋能量接入ღ✿✿，对器件产生原子级损伤不可避免ღ✿✿。图2所示的制造业加工进程中ღ✿✿，堆砌精度比去除精度要高ღ✿✿，反映的正是这一事实ღ✿✿。因此ღ✿✿，走向原子级加工极限凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，必然遭遇一些困难ღ✿✿。这ღ✿✿，也是必须探索发展新的原子级加工ღ✿✿、如这里的去除技术之主要原因ღ✿✿。

　　去除刻蚀过程ღ✿✿，在当前的微加工中ღ✿✿，有经典的磨削抛光技术ღ✿✿，也有更高端的光刻和刻蚀 + 抛光技术ღ✿✿，更有离子束ღ✿✿、电子束ღ✿✿、甚至X光束等不同精确度的定点刻蚀技术ღ✿✿。磨抛去除技术ღ✿✿，核心是要获得超高精度的表面ღ✿✿，特别是平面ღ✿✿。经典磨削抛光ღ✿✿，已然无法完全适应微纳精度的要求ღ✿✿，在此不再详述ღ✿✿。但是ღ✿✿，其中的抛光技术依然可以拓展ღ✿✿，包括当前芯片制造中广泛使用的化学机械抛光技术(chemical mechanical polishing, CMP)ღ✿✿。

　　总体上ღ✿✿，当前的精密加工ღ✿✿，达到 ~10 nm 精度的晶圆平面抛光ღ✿✿，已不存在原理和技术上的挑战ღ✿✿。部分纳米级平面研磨抛光方法ღ✿✿，据报可达到0.3 nm (单个原子尺寸)ღ✿✿。当然ღ✿✿，磨抛技术的高端发展ღ✿✿，带来了对物理ღ✿✿、化学ღ✿✿、材料和微纳加工技术的巨大挑战ღ✿✿。高品质磨抛已成为一个系统性技术ღ✿✿，牵涉方方面面ღ✿✿，无法在此一一呈现ღ✿✿。

　　高端刻蚀方法ღ✿✿，核心就是要能在芯片制程某一环节的表面ღ✿✿，产生空间尺度小到nm 的立体结构ღ✿✿。在芯片制造大半个世纪的进程中ღ✿✿，刻蚀技术叠代轮回ღ✿✿，但要做到阵列化三维结构的原子级去除和定向刻蚀ღ✿✿，属实不易ღ✿✿。同样ღ✿✿，本文不打算去梳理高精度刻蚀方法的家长里短ღ✿✿，毕竟文献库中类似文章很多ღ✿✿。这里ღ✿✿，着重outline几句两大产业广泛应用的刻蚀方法ღ✿✿：原子层刻蚀ALE 和化学抛光CMP 技术ღ✿✿。

　　所谓ALEღ✿✿，即便是从名称上ღ✿✿，也可看出是ALD之反向技术ღ✿✿，非常棒的思路ღ✿✿，其简单循环原理如图3(B)所示ღ✿✿。与ALD相映成趣ღ✿✿，ALE也给设备研发和更新换代带来收益ღ✿✿。简单粗暴梳理ALEღ✿✿，可看清其优势ღ✿✿，也看出其潜在缺失ღ✿✿。原理上ღ✿✿，ALE一般由表面化学活化和去除两个阶段组成ღ✿✿。先借助ALD气相反应思路ღ✿✿，使用气相前驱体(如卤化物前体Cl₂ღ✿✿、SF₆)或反应性等离子体ღ✿✿，通过自限式化学反应在要加工的基片表面形成一层“松散ღ✿✿、易除”的表层(表面活化层)ღ✿✿，直到反应终止ღ✿✿。随后ღ✿✿，借助离子束或其它动能束轰击ღ✿✿、加热与辅助刻蚀ღ✿✿，去掉表面活化层ღ✿✿，实现表层去除ღ✿✿。

　　这一ALE过程ღ✿✿，因为是气相活化反应所产生ღ✿✿，气体可浸入到微纳结构中ღ✿✿，特别适合3D结构刻蚀ღ✿✿，显示ALE有独特优势ღ✿✿。对于高深宽比的3D结构ღ✿✿，ALE 能避免传统刻蚀技术的底部过刻或侧壁倾斜现象ღ✿✿。这是ALE卓越的优点之一ღ✿✿，特别适合3D多层架构如DRAM和3D NAND等芯片和存储器的规模制备ღ✿✿。

　　目前文献对ALE之法的评估是ღ✿✿：去除过程受限于活化层厚度ღ✿✿，大致可确保每次去除都限于一个原子层ღ✿✿。此种分步反应和刻蚀交替ღ✿✿，一定程度上保证了精度ღ✿✿，使得ALE看起来很理想化和无可置疑ღ✿✿。但是ღ✿✿，聚焦到原子级制造ღ✿✿，物理人依然可提出若干疑问ღ✿✿：(i) 第一阶段的化学反应ღ✿✿，即便处理温度再低ღ✿✿，要使得表层化学反应足够快发生ღ✿✿，基片须得有足够高温度(如300oC)ღ✿✿。此时ღ✿✿，表面活化层与底下非活化层界面如何做到原子级清晰而没有扩散？(ii) 第二阶段的粒子束轰击刻蚀ღ✿✿，如何做到对非活化层没有损伤？目前即便针对Si的刻蚀ღ✿✿，离子束的能量也在5 eV以上ღ✿✿，足够打断表面原子键合ღ✿✿，表面损伤难以避免ღ✿✿。(iii) 活化层与非活化层间界面即便是原子级清晰ღ✿✿，但如何做到界面在大尺度范围内原子级平整？毕竟ღ✿✿，基片本身不可能总是高品质单晶ღ✿✿，晶体缺陷不可避免ღ✿✿。总之ღ✿✿，芯片制造广为应用的ALE技术ღ✿✿，如果延申到原子尺度是否依然成立ღ✿✿，值得斟酌ღ✿✿。

　　与ALE气相反应腐蚀+ 离子束刻蚀比较ღ✿✿，CMP本质上可理解为是液相反应腐蚀+ 机械抛光ღ✿✿。这是ALD的液相翻版ღ✿✿，与ALD相映成趣ღ✿✿。

　　如果用于原子级制造ღ✿✿，CMP与ALE比较ღ✿✿，大概问题会更为严重一些ღ✿✿：首先ღ✿✿，机械研磨的能标ღ✿✿，保守估计应该在10 eV量级玛雅论坛最新ღ✿✿，界面键合损伤不可忽略ღ✿✿、且损伤深度还不小ღ✿✿。其次ღ✿✿，化学抛光配合研磨ღ✿✿，的确可以将尺寸精度提升到 nm 以下ღ✿✿，但化学液体腐蚀效应亦是问题ღ✿✿。

　　(A) 平面离子束刻蚀进程ღ✿✿。其中刻蚀分辨率主要依赖于掩膜光刻限制的空间结构分辨率ღ✿✿，但离子束刻蚀参数对刻蚀结构的几何形状有很大影响(壁的光洁度ღ✿✿、倾斜度ღ✿✿、深宽比)ღ✿✿。(B) 聚焦离子束(focused ion beam/electron beam)的刻蚀原理图ღ✿✿。图中以常见的Ga离子束刻蚀为例ღ✿✿，注意到分辨率与加速能量的对应ღ✿✿。可见离子束能量是很高的ღ✿✿，对样品破坏力严重ღ✿✿。(C) 聚焦离子束刻蚀得到的Si基MEMS结构ღ✿✿，分辨率在纳米尺度ღ✿✿。

　　作为原子级堆砌和去除两者皆需的辅助方法ღ✿✿，微加工常用到的粒子束ღ✿✿，除了光束外主要有离子束和电子束两大类ღ✿✿。它们可被看成是替代机械研磨的主要手段ღ✿✿。不是一般性ღ✿✿，这里将半导体和芯片制造所涉及的各种粒子束能标大概梳理如下ღ✿✿：

　　离子束ღ✿✿：依赖于离子束的产生与加速机制ღ✿✿，离子束能量可在很大范围变化ღ✿✿。用于半导体和芯片加工和清洗的离子束ღ✿✿，主要在低能区(包括等离子体束)ღ✿✿。用于加工的离子束能标在 ~ 100 eV - 1000 eVღ✿✿，用于清洗的离子束能标在 0.1 eV - 10 eVღ✿✿。

　　固体原子间键合能大多在eV量级ღ✿✿，例如ღ✿✿，共价键最强 (1.0 eV - 10 eV)ღ✿✿、离子键次之 (1.0 eV - 5.0 eV)ღ✿✿、金属键(0.5 eV - 10 eV)和氢键(0.1eV - 0.5 eV)较ღ✿✿、范德华键最弱(0.01 eV - 0.1 eV)玛雅论坛最新ღ✿✿。可以看到ღ✿✿，所有这些粒子束的能量都比键合能大很多ღ✿✿。在芯片制程中利用这些粒子束进行加工ღ✿✿、刻蚀甚至是清洗时ღ✿✿，对芯片表面形成晶格损伤和破坏不可避免ღ✿✿，只是严重程度不同而已ღ✿✿。

　　除此之外ღ✿✿，诸如离子束和电子书去除ღ✿✿，还有局域性问题ღ✿✿。为了达到足够的空间精度ღ✿✿，产业界巴不得将这些粒子束聚焦到原子级ღ✿✿。当前配置的电子束和聚焦离子束的聚焦精度ღ✿✿，已然与此相差不远ღ✿✿，但带来的问题是ღ✿✿：要对一片12英寸的晶圆进行加工去除ღ✿✿，如此聚焦该干到猴年马月呢ღ✿✿！作为科普展示ღ✿✿，图4 给出了平面离子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀的示意图和刻蚀结果实例ღ✿✿。细节参见图题ღ✿✿，在此不再赘述ღ✿✿。

　　现在ღ✿✿，摆在高端加工人面前的ღ✿✿、普遍性的瓶颈问题是ღ✿✿：界面扩散(腐蚀)ღ✿✿、损伤缺陷ღ✿✿、局域化ღ✿✿。这每一个问题ღ✿✿，对原子级精度和品质要求都是有些致命的ღ✿✿。从机理上看ღ✿✿，依托当前技术的拓展与提升凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，大概很难克服这些问题ღ✿✿。作为本节的辅助说明ღ✿✿，笔者在图5 列举了几个伴随高端精度加工所带来的问题ღ✿✿，其中图5(A)是示芯片制造偏离摩尔定律的进程图ღ✿✿。

　　(1) 首先说界面扩散ღ✿✿。无论是沉积还是刻蚀凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，都需要一定温度配置ღ✿✿，给界面原子级扩散以机会ღ✿✿。沉积于高温ღ✿✿，以追求良好结晶ღ✿✿，如ALD和MBEღ✿✿；刻蚀于中温ღ✿✿，以追求形成良好活化层ღ✿✿，如ALE和CMPღ✿✿。这些ღ✿✿，都必然导致界面扩散ღ✿✿。这些问题在中低端芯片制造中未必很严重ღ✿✿，因为界面扩散层厚度占比不高ღ✿✿，优化工艺控制可将界面扩散带来的负面效应控制在合理范围内ღ✿✿。到了原子级制造ღ✿✿，这一问题就不再能被忽视ღ✿✿。

　　原则上ღ✿✿，可将堆砌和去除进程放在很低温度下进行ღ✿✿，哪怕是液氮温度也在所不惜ღ✿✿，毕竟液氮比之液氦还是很便宜的ღ✿✿。问题是ღ✿✿，几乎每一个加工环节都需要足够高温度才能具有实际意义ღ✿✿。有温度就有扩散ღ✿✿，这是没办法的事情ღ✿✿。宏观制造中的高温涂层ღ✿✿，当然很牛逼ღ✿✿，但原子级制造大概不允许随便就加一层涂层^_^ღ✿✿。

　　(2) 其次说损伤ღ✿✿。提及晶格损伤后果的最好实例ღ✿✿，是芯片制程从2010年左右开始的ღ✿✿、偏离摩尔定律(如图5(A)所示)的背后缘由ღ✿✿。从空间尺度看ღ✿✿，芯片制造的空间微缩进程并未受到很大制约ღ✿✿，7 nmღ✿✿、5 nmღ✿✿、2 nm线宽ღ✿✿，通过浸没式光刻技术都是勉强可以达到的ღ✿✿，并没有偏离摩尔定律太多ღ✿✿。发生偏离最大的原因之一ღ✿✿，是内存和晶体管器件的表面处存在加工带来的ღ✿✿、厚度可达10 nm的损伤层ღ✿✿。这些损伤层ღ✿✿，不能说完全没有性能ღ✿✿，但属于重度残疾ღ✿✿，制约了FET源漏特性ღ✿✿、迁移率ღ✿✿、输运/开关等性能ღ✿✿。图5(B)所示是Ga离子束加工带来的表面损伤层ღ✿✿，还是很显眼的ღ✿✿。当然ღ✿✿，这是十年前的结果ღ✿✿，当前的工艺水平应该能保证损伤更小ღ✿✿。图5(C)则显示出当前最高水平的HfO2基DRAM器件的微结构截面分析结果ღ✿✿，显示不均匀性依然存在ღ✿✿。

　　当然ღ✿✿，读者可以提问ღ✿✿：为何不能将加工用的粒子束能量置小？这是一个trade-off的问题ღ✿✿，以离子束为例说明ღ✿✿。产生离子束背后的量子物理ღ✿✿，无非是存在一个临界离化场ღ✿✿。超越这一电场ღ✿✿，才能激励离子源的原子失去外层电子ღ✿✿、成为离子而发射出去ღ✿✿。控制发射电场稍大于离化场ღ✿✿，总是可以将离子束的能量降到足够低而不损伤器件表面ღ✿✿。这种认知ღ✿✿，当然只是教科书的死板运用ღ✿✿。任何具有工业价值的离子束ღ✿✿，其能量都会ღ✿✿、且必须远大于化合键能ღ✿✿，才有现实意义ღ✿✿。表面损伤层ღ✿✿，在这一模式下不可避免ღ✿✿。

　　(3) 最后一个面临的难题ღ✿✿，是局域与扩展问题ღ✿✿。在原子级堆砌与去除两个环节ღ✿✿，都大量运用粒子束(离子束ღ✿✿、电子束等)加工进程ღ✿✿。如前所述ღ✿✿，在工业化生产中ღ✿✿，规模化和效率是前提ღ✿✿，正如上文提及原子级加工的极端技术扫描隧道显微镜(STM)那般ღ✿✿。STM可以操控单个原子的成像与搬运ღ✿✿，已是原子制造的极品ღ✿✿。它作为一项制造技术的步履阑珊ღ✿✿，无非是因为其没有效率ღ✿✿、无法规模化ღ✿✿。几乎所有离子束加工ღ✿✿，为了追求尺寸精度ღ✿✿，局域化加工都是优选事项ღ✿✿。因此凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，诸如电子束曝光ღ✿✿、聚焦离子束刻蚀等技术ღ✿✿，都类似于STM针尖操控ღ✿✿，是优雅而缓慢的ღ✿✿：古今世界ღ✿✿，难以有急匆匆的优雅^_^ღ✿✿！

　　(A) 芯片集成制造对摩尔定律的偏离ღ✿✿，大约在2000 年开始ღ✿✿。这种偏离ღ✿✿，一定程度上有微纳加工带来的损伤之贡献ღ✿✿。(B) Ga聚焦离子束对Si表面刻蚀出结构(左侧)后留下来的表面损伤层(右侧)ღ✿✿，大约有20 nm厚ღ✿✿，此时自然不能奢谈原子级加工ღ✿✿。当然ღ✿✿，降低Ga离子束能量ღ✿✿，可以降低损伤层ღ✿✿，但再怎么降低也不能降低到键能水平ღ✿✿。(C) 当前加工精度最高的3D DRAM芯片内存之截面图ღ✿✿，显示出几何形态的形变ღ✿✿、界面成分分布的不均匀性ღ✿✿。界面缺陷必然大量存在ღ✿✿，其中(a) 是低倍数界面ღ✿✿，(b) 是局域放大ღ✿✿，(c) 是成分分布ღ✿✿。

　　来自南京大学物理系(现在的物理学院)宋凤麒教授领导的团队ღ✿✿，早些年就提出了能部分实现将三个问题一把抓的方案ღ✿✿。这就是本文标题的“原子级加工之团簇模式”ღ✿✿。

　　凤麒教授师从王广厚老师ღ✿✿，在其麾下从研究生成长为杰青和原子制造的领军人物ღ✿✿。过去二十余年ღ✿✿，他主打的就是原子团簇这张牌ღ✿✿，早到了驾轻就熟之境ღ✿✿。原子团簇ღ✿✿，原本是原子分子物理中的一方水土ღ✿✿，数十年来国内外这一领域的物理人都更多关注阳春白雪ღ✿✿。但是ღ✿✿，以凤麒他们为代表的一批人ღ✿✿，将原子团簇玩出了新花样ღ✿✿。以他领衔的“南京原子制造研究所”正在推进以原子团簇用于原子级制造的事业ღ✿✿。

　　(1) 原子团簇ღ✿✿，本身已非新物态或拥有多大新物理ღ✿✿，就是数目大致在2 - 1000范围内原子团簇体ღ✿✿。笔者在引言中引入的2 - 1000个原子之说辞ღ✿✿，落脚点其实在这里^_^ღ✿✿。团簇物理ღ✿✿，本是研究物质从原子分子向宏观固体过渡态的一门物理学科分支ღ✿✿，聚焦于团簇特殊性质与演变规律ღ✿✿，具有很强的基础交叉学科特征ღ✿✿。不过ღ✿✿，需注意到ღ✿✿，任何基础学科亚门类ღ✿✿，如果没有很强或者潜在性很强的应用前景ღ✿✿，都不大可能壮大到家国发展之优先层面ღ✿✿。

　　(2) 原子团簇应用到原子级制造“六字方针”之“创制”凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，似乎顺理成章ღ✿✿。过去许多年ღ✿✿，对原子团簇的基础探索ღ✿✿，主体目标之一ღ✿✿，应该就是新物质创制ღ✿✿，的确也有多年的研究历史ღ✿✿。当讨论团簇的原子个数控制ღ✿✿、结构搭建ღ✿✿、幻数ღ✿✿、束流ღ✿✿、飞行质谱等物理时ღ✿✿，未必言明的驱动力ღ✿✿，就是寻求大自然本不存在的新物质ღ✿✿，或者那些经典热力学动力学无法预测的亚稳态非稳态物质ღ✿✿。现在ღ✿✿，如能通过大科学装置将创制能力显著提升ღ✿✿，实现新物质“创制”的快速发展ღ✿✿，似乎不存在根本性挑战ღ✿✿。挑战在于ღ✿✿，如何实现“飞跃式”发展ღ✿✿。凤麒老师他们有一套自己的策略思路ღ✿✿，笔者遗憾至今还没有学会ღ✿✿。

　　(3) 原子团簇应用到材料“改性”ღ✿✿，其中滋味可能需要以具体的应用需求为导向而慢慢品尝ღ✿✿。2-1000个原子组成的团簇ღ✿✿，其尺寸可小到2 nm以下ღ✿✿，是当下大多数纳米材料未及之高度ღ✿✿。或者说ღ✿✿，这是一种纳米材料延伸出来的ღ✿✿、具有革新性的目标ღ✿✿。限于篇幅ღ✿✿，在此不论其它ღ✿✿，只提一点ღ✿✿：一个直径2 nm的球体ღ✿✿，假定每个原子(当成球体)直径0.2 nmღ✿✿，则这个球体大约能装进去300 个原子ღ✿✿。估算下来ღ✿✿，位于球体表面的原子数目大约是总数目的一半ღ✿✿。也就是说ღ✿✿，对一颗粒ღ✿✿，如果其表面裸露的原子数目是整个数目之一半时ღ✿✿，去讨论尺寸效应的巨大后果ღ✿✿，就有了新的意义ღ✿✿。

　　(4) 原子团簇应用来“加工”ღ✿✿，应该是完全出乎物理人想象的“杰作”ღ✿✿。其特异之处ღ✿✿，体现在可以在很大程度上缓解甚至是解决前面梳理出来的“界面反应扩散”ღ✿✿、“损伤缺陷”ღ✿✿、“加工局域性”三个问题ღ✿✿。下一节我们回到这一论题上来ღ✿✿。

　　(5) 原子团簇宏量制备凯发天生赢家一触即发ღ✿✿，无须讳言ღ✿✿，是其走向实际产业应用的门槛ღ✿✿。团簇物理的早期研究ღ✿✿，都是基于微量团簇而制定战略的ღ✿✿。到了原子级制造这一高地ღ✿✿，研发大的团簇束流装置已是必要条件ღ✿✿。凤麒他们的“南京原子制造研究所”ღ✿✿，利用所研发的多重级联原子团簇预研装置ღ✿✿，已能在现实条件下生产宏量可控原子团簇ღ✿✿。未来的大科学装置ღ✿✿，这一产量自然还会有量级的提升ღ✿✿。

　　现在的原子团簇产生装备ღ✿✿，所生产的团簇品质之高玛雅论坛最新ღ✿✿，可以在凤麒老师他们报告的一些基本数据中得到印证ღ✿✿，如ღ✿✿：

　　(ii) 质量分辨ღ✿✿：10000 u内同位素可辨认并分离ღ✿✿。这是什么意思呢？1 u 约等于一个H 原子的质量ღ✿✿，这个分辨率的大白话意思就是ღ✿✿，现在的团簇制备装备ღ✿✿，能区分一个10000 个H 原子组成的团簇和一个10001个H 原子组成的团簇ღ✿✿，并将其分离出来ღ✿✿。也很惊人ღ✿✿！

　　(iii) 结构分辨ღ✿✿：对一些简单的ღ✿✿、或者说结构非极性的(也即对称性很高的)团簇ღ✿✿，如果它们的质量相同ღ✿✿，如何区分结构？据说目前的水平到了0.01 Debye/u 的电偶极矩分辨ღ✿✿。以笔者对固体物理的理解ღ✿✿，高阶偶极矩的可分辨ღ✿✿，是一件令人震撼的事情ღ✿✿。

　　至此ღ✿✿，得益于凤麒老师们的努力ღ✿✿，原子团簇要量有量ღ✿✿、要质有质的时代不再是遥不可及ღ✿✿。接下来ღ✿✿，就是论证为何这些品质的原子团簇可以用于“原子级加工”了ღ✿✿。不失一般性ღ✿✿，姑且论证原子团簇可以用于“原子级抛光刻蚀”吧ღ✿✿！

　　(上) 常见的沙流ღ✿✿，叠落满地黄ღ✿✿。(中) 抓起一把沙子ღ✿✿，捏成一个团簇ღ✿✿。松开手指ღ✿✿，或叠落一地沙粒ღ✿✿、或保持一颗沙簇ღ✿✿。(下) 如果一沙球跌落平地ღ✿✿，就会散开而铺展ღ✿✿。撞击和铺展的程度ღ✿✿，依赖于沙球的结实程度ღ✿✿。松散的沙球ღ✿✿，铺展区域就大ღ✿✿，可以实现一定面积的加工ღ✿✿。

　　先定下前提ღ✿✿：所谓原子团簇抛光刻蚀ღ✿✿，就如一般离子束刻蚀一样ღ✿✿，终归是要借助团簇源激发ღ✿✿，将一束一束原子团簇以100 eV ~ 10 keVღ✿✿、甚至更高的能量发射出来ღ✿✿，轰击到基片表面上ღ✿✿，实现加工ღ✿✿！

　　为了形象地展示这一点ღ✿✿，笔者将个中道理以浅显而缺乏严谨的沙堆动力学方式展示ღ✿✿，请读者谅解ღ✿✿。图6(上)所示从上帝之手倾泻的沙流ღ✿✿，就是我们想象中的原子团簇倾泻而下ღ✿✿、沉积在基片上的模样ღ✿✿。沙团ღ✿✿，当然如图6(中)所演示一般ღ✿✿，是可以极为松散或者极为结实的ღ✿✿：沙粒键合强ღ✿✿，沙团就坚如磐石ღ✿✿；沙粒键合弱ღ✿✿，沙团就一触即溃ღ✿✿。笔者以为ღ✿✿，凤麒老师他们的团簇原子级加工背后的道理ღ✿✿，大约如此ღ✿✿。大道至难ღ✿✿，被凤麒他们把玩成“大道至简”ღ✿✿。

　　看到“非遍历性”小标题ღ✿✿，读者可能会觉得莫名其妙ღ✿✿。笔者撰写过原子制造的小科普文《》(可点击阅读)ღ✿✿。该文将这一主题表达得较为浅显易懂ღ✿✿，其主要物理被重新演绎到图7中ღ✿✿。简言之ღ✿✿，少子团簇的组态ღ✿✿、结构ღ✿✿、原子间作用势ღ✿✿，不具有大数体系(即块体材料)所拥有的热力学遍历性ღ✿✿。给定条件下ღ✿✿，足够长时间内ღ✿✿：(i) 团簇组态无须处于基态而可“稳定”存在ღ✿✿。(ii) 团簇存在多个接近简并的结构ღ✿✿，这些结构也许只在高阶偶极矩上存在差别ღ✿✿，但可以通过偶极分辨而被区分和分离成不同结构的团簇流ღ✿✿。(iii) 团簇内原子作用势可展现极大涨落ღ✿✿。例如ღ✿✿，极端情况下ღ✿✿，两个质量只差一个原子的团簇ღ✿✿，一个可能键能高ღ✿✿，另一个可能键能小ღ✿✿。如此ღ✿✿，可以通过团簇源质量选择性ღ✿✿，将不同键能的团簇选择出来ღ✿✿。再例如ღ✿✿，两个质量相同的团簇ღ✿✿，但它们的结构可能不同ღ✿✿，一个可能键能高ღ✿✿，另一个可能键能小ღ✿✿。如此ღ✿✿，也可通过团簇源偶极选择性ღ✿✿，将不同键能的团簇选择出来ღ✿✿。

　　虽然这类非遍历性在实际团簇材料中的效果如何ღ✿✿，还需要大量验证ღ✿✿，但物理上不存在很大障碍ღ✿✿。果若如上三点在实际应用中切实可行ღ✿✿，那就是巨大的利好ღ✿✿！

　　所谓遍历性(ergodicity)ღ✿✿，来自统计力学ღ✿✿，特指统计结果在时间和空间上的统一性ღ✿✿，表现为时间均值等于空间均值ღ✿✿。通俗地说就是一个系综表现出的性能是其所有组态性能的概率加权平均值ღ✿✿。而少数原子组成的团簇不满足这种统计性质ღ✿✿。在足够长时间内ღ✿✿，团簇的稳定性及某些功能ღ✿✿，可以表现为对诸如原子个数N的巨大涨落ღ✿✿：例如ღ✿✿，N = 300 的团簇可能位于图中红色点处ღ✿✿，表现为硬度强度高ღ✿✿、化学活性低ღ✿✿、响应慢ღ✿✿。但是ღ✿✿，N = 301 的团簇则可能位于图中绿色点处ღ✿✿，表现为硬度强度低ღ✿✿、化学活性高ღ✿✿、响应快ღ✿✿。如此之类剧烈涨落ღ✿✿，就给团簇用于原子级加工提供了机遇ღ✿✿：(1) 两束尺寸极为接近的团簇束流ღ✿✿，一束强度高ღ✿✿，一束强度低ღ✿✿。则一束可以用来切割ღ✿✿、掺杂ღ✿✿，另一束可以用来无损伤抛光和清洗ღ✿✿。(2) 按需设计ღ✿✿。要催化活性ღ✿✿，就选择高催化活性束流ღ✿✿；要化学惰性ღ✿✿，就选择化学活性低的束流ღ✿✿；要平衡生长ღ✿✿，就选择一触即溃的束流ღ✿✿。如此类推ღ✿✿，操控ღ✿✿、调制的维度ღ✿✿，一下子就多了许多ღ✿✿。

　　原子团簇既然展现很强的非遍历性ღ✿✿，就给了团簇人机会ღ✿✿，可根据需要选择稳定性不同的团簇以资利用ღ✿✿。注意到ღ✿✿，这些稳定性迥异的团簇ღ✿✿，可能只是差别1-2个原子ღ✿✿。细微质量差别ღ✿✿，无碍于那些即便对质量和能量很敏感的使用场景ღ✿✿。对需要坚如磐石的团簇轰击之场景(如切割ღ✿✿、掺杂)ღ✿✿，就选择那些稳定性高的团簇流ღ✿✿。对需要用疏松如散沙的团簇轰击之场景(如抛光ღ✿✿、清洗)ღ✿✿，就选择那些稳定性低的团簇流ღ✿✿。图6(下)用夸张的方式展示了一沙球跌落后如何化为铺开的沙丘ღ✿✿。加上横向继续扩散ღ✿✿，最终在基片上形成原子级平整的ღ✿✿、区域足够大的场景ღ✿✿。

　　界面腐蚀(反应)和晶格损伤的产生ღ✿✿，本质上就是加工粒子束能量太高ღ✿✿，会畸变和打断基片表层的原子键合ღ✿✿，触发化学反应ღ✿✿、扩散ღ✿✿、损伤ღ✿✿。如果选择那些稳定性低的团簇流轰击样品表面ღ✿✿，则这些团簇会一触即溃而横向铺开ღ✿✿，如图6(下)所示ღ✿✿。此时ღ✿✿，即使团簇流能量是100 eVღ✿✿，团簇一触即溃后能量均分到各个原子上ღ✿✿，也就0.1 eV/原子ღ✿✿，如果团簇是1000个原子大小玛雅论坛最新ღ✿✿。如此ღ✿✿，就能很好避免对基片表层原子面的严重损伤ღ✿✿，界面扩散和腐蚀反应也会被显著抑制ღ✿✿。

　　凤麒老师团队曾经估算过ღ✿✿，通过适当减速进程ღ✿✿，实现接近0.01 eV/原子的近零能量ღ✿✿、且一触即溃的团簇流ღ✿✿，不是不可能的ღ✿✿。若此ღ✿✿，团簇流在基片表层以极近平衡态生长ღ✿✿、扩张ღ✿✿，也就顺理成章ღ✿✿。

　　针对聚焦离子束加工带来的局域性和加工低效率问题ღ✿✿，如上所示的团簇一触即溃过程亦是有帮助的ღ✿✿。合理的束流能量选择ღ✿✿，使得轰击基片表面的团簇不但可轻易散开ღ✿✿，还有机会保留部分能量实现表面横向铺展ღ✿✿，实现“大”面积抛光ღ✿✿、清洗等功能ღ✿✿。这一功能ღ✿✿，虽然远不能与ALE和CMP那般晶圆尺度抛光清洗相比ღ✿✿，但依然是不小的进步ღ✿✿。

　　如上天马行空一般的构想性论证ღ✿✿，让笔者有一种感性冲动ღ✿✿。一个诗意般词汇浮现出来ღ✿✿：叠落满天星ღ✿✿！组成ღ✿✿、质量ღ✿✿、结构和互作用都可控的原子团簇ღ✿✿，对原子级加工而言ღ✿✿，是一个好东西ღ✿✿！每颗原子如星星ღ✿✿，从团簇处倾泻而下ღ✿✿、叠落铺开于基片表面ღ✿✿，竟然不是一种魔幻ღ✿✿。凤麒老师他们实际上已有初步尝试ღ✿✿，用他们定制的团簇流ღ✿✿，可实现对包括二维材料的表面进行加工清洗ღ✿✿！初步结果足够令人鼓舞ღ✿✿。感兴趣的读者ღ✿✿，应该会在不久的将来看到他们报道出来的结果ღ✿✿。

　　回过头来ღ✿✿，从科普作文的要求看ღ✿✿，本文有一个很大的缺失ღ✿✿，即目前并无足够多的实验证据去证明这一“叠落满天星”的团簇加工模式是真实可行的ღ✿✿。整篇文字显得虎头蛇尾ღ✿✿：引言和常规芯片加工知识篇幅较长ღ✿✿，而能引起读者关注的ღ✿✿、有关“团簇模式”的主题内容就写得潦草ღ✿✿。这当然不完全是笔者偷懒或过错ღ✿✿，而是笔者作为外行ღ✿✿，许多讨论都是基于一些简单物理的推演ღ✿✿、缺乏实验验证ღ✿✿。笔者相信ღ✿✿，从事原子级制造的团簇人们ღ✿✿，不久就会让这一宏大场景展现出来ღ✿✿。

　　(1) 整个“叠落满天星”的原子级加工构想ღ✿✿，依赖于团簇“非遍历”效应到底有多显著ღ✿✿，即团簇稳定性的涨落有多显著ღ✿✿。只有那些涨落特别显著的团簇体系ღ✿✿，才利于这一构想的实现ღ✿✿。目前ღ✿✿，除了理论模拟之外ღ✿✿，这种构想的实验证据还不足ღ✿✿，需要团簇人加以夯实和强化ღ✿✿。

　　(2) 团簇流用于原子级去除(刻蚀)的物理ღ✿✿，在本文得到了一定程度的展现ღ✿✿，但远非全面ღ✿✿。例如ღ✿✿，团簇流用于高精度切割时ღ✿✿，如何保证既有效切割又能不引起损伤？毕竟ღ✿✿，切割是需要远大于键能才能实现ღ✿✿，而大于键能就是损伤发生的阈值ღ✿✿。非此即彼ღ✿✿，似乎需要斟酌ღ✿✿。

　　(3) 在原子级去除之外ღ✿✿，本文并未讨论团簇流用于原子级添加(沉积)的进程ღ✿✿。类似地ღ✿✿，如果用“叠落满天星”的模式进行原子级沉积ღ✿✿，对基片的损伤可以做到很小ღ✿✿，但能否实现原子级单层平整沉积ღ✿✿，就是一个问题ღ✿✿：原子级layer-by-layer生长ღ✿✿，不是请客吃饭那么容易ღ✿✿。

　　(4) 当用于量子阱ღ✿✿、超晶格等多组分结构的沉积时ღ✿✿，团簇沉积模式也面临成分调控的挑战ღ✿✿。团簇流沉积ღ✿✿，如何实现成分交替操控？目前看起来ღ✿✿，类似制备技术尚未进入到相关议程中去ღ✿✿。

　　草草结束本文之前ღ✿✿，还是需要指出ღ✿✿，本文描述可能多有夸张ღ✿✿、不周及基于想象而编撰之处ღ✿✿，敬请读者谅解ღ✿✿。对详细内容感兴趣的读者ღ✿✿，可依照主题词就教于相关文献ღ✿✿、亦或是就教于AI问答ღ✿✿。

　　(2) 笔者参阅过诸多网络神文名篇ღ✿✿，包括《知乎》《百度》和《Bing》上的资料ღ✿✿。感谢张帅博士指点ღ✿✿。还要特别致谢的ღ✿✿，是南京原子制造研究所ღ✿✿！本篇文字能落到纸上ღ✿✿，都是该研究所群贤推动所致ღ✿✿！

　　(3) 小文标题“原子级加工之团簇模式”乃宣传式的言辞ღ✿✿，不是物理上严谨的说法ღ✿✿。这里只是对原子级制造技术的若干环节展开一些议论ღ✿✿。本文围绕原子级加工的几个关键点ღ✿✿，展示原子团簇竟然能出人意料地成为原子级加工的优选方案之一ღ✿✿，令人印象深刻ღ✿✿。

　　(4) 文底图片取自未蓝园地 (20251024)ღ✿✿。按照姜月博士说辞ღ✿✿，乃如印象派莫奈的画作一般ღ✿✿。文底小词 (22051106) 原本写浦口未蓝科技园的金秋锦色ღ✿✿！用在这里ღ✿✿，寓意香馥高远ღ✿✿、期待收获ღ✿✿。