科学通报 | 突破光刻工艺极限，量子器件原子级制造技术研究进展

西安交通大学潘毅教授团队在《科学通报》发表题为“超高真空扫描探针辅助的量子器件原子级制造技术”的综述文章，系统总结了扫描隧道显微镜原子操纵技术在原子级固态量子器件制造中取得的系统性进展，提出并设计了全真空环境下固态量子器件的制造工艺路线。从工艺流程、原子操纵/刻蚀方法、电极沉积与封装等方面介绍了超高真空扫描探针辅助原子级精准器件制造技术应用于固态量子芯片的前沿现状，进一步提出了实现固态量子计算机以及其框架下量子器件的工业化所面临的挑战与可能的解决方案。

图1(a) 与CMOS工艺兼容且基于扫描隧道显微镜的全真空量子器件制备路线图. (b) 原子级制造的两种核心工艺：单原子刻蚀与单原子构筑

随着传统半导体芯片工艺线宽逐渐逼近光刻技术的物理极限，新型量子芯片的开发与原子级精度芯片制造技术的创新已成为突破技术瓶颈的重要途径之一[1~3]。近些年，基于硅材料的量子点方案受到了科研人员的持续关注。它通过在硅基衬底中构建量子点并利用束缚电子或原子核的自旋量子态作为量子比特，具有自旋弛豫时间长、兼容互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)工艺、可扩展性强等特点，是当前极具产业化前景的平台之一[4~6]。然而，构建真正可用的量子计算系统需集成数十万乃至百万量级高保真物理量子比特，对器件的原子级精度控制与规模化制备提出了极高要求，这已超出当下硅工艺的技术范围。面对这一重大技术难题，我国研究人员提出引入原子及近原子尺度制造(atomic and close-atomic scale manufacturing, ACSM)技术突破现有加工极限，以显著提高制造精度[1]。

扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)的原子(分子)操纵技术与分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)生长技术这两种可靠的原子制造手段，在规模化制备、控制原子精度等方面展现出巨大发展潜力[7]。随着STM辅助的单原子精度刻蚀和缺陷调控扩展到了更多材料体系，以及III-V半导体表面的纵向原子操纵趋于成熟，本文提出了一套适用Si及其他半导体衬底的固态量子器件原子级制造的通用工艺路线，如图1(a)所示。该路线包括三个部分：核心为中间原子级制造工艺，在其前端和后端使用传统CMOS工艺，以保证原子级核心单元与外部电极的良好连接，兼顾原子级精准和通用性。

作为整个工艺流程中影响工艺效率、成功率和器件性能等因素的主要环节——原子级制造工艺，可细分为图1(b)所示的两种方法：单原子刻蚀和单原子构筑。单原子刻蚀是通过STM针尖精确输入能量去除材料特定位置原子的单原子级减材制造工艺，如图1(b)左图所示，往往结合单原子掺杂实现量子点与导线制作。该方法主要由Simmons研究团队持续迭代开发，目前可以在Si: P体系上稳定制备原子精度量子芯片，且逐渐开始了产业化。单原子构筑是通过STM针尖在半导体表面搬运单原子制造特定量子结构和导线的单原子级增材制造工艺，如图1(b)右图所示，可用于人工量子点及其阵列的构筑。该方法主要由Fӧlsch研究团队引入III-V半导体体系，目前可以在InAs(111)A等表面制备原子精度全同量子点、量子点二聚体以及单分子模型器件。

当前，原子级制造工艺整体上仍然处于起步阶段，未来实现固态量子计算机以及其框架下量子器件的工业化生产应致力于开发将STM与人工智能（AI）及自动化技术融合的新型STM技术以提高制备效率；开发具有自主知识产权的全真空集成装备——包含STM、MBE以及电极沉积系统全套装备以实现固态量子器件的原位制造，从而避免样品暴露大气污染；构建具有全新机制与结构的新型器件以寻求新的可能载体与突破。

西安交通大学潘毅教授为本文通讯作者，硕士生杨嘉琪为本文第一作者。相关研究受到国家重点研发计划(2022YFA1204100)和国家自然科学基金(12074302)资助。

参考文献

1 Fang F Z, Lai M, Wang J S, et al. The three paradigms of manufacturing advancement: Law of manufacturing development (in Chinese). Bulletin of National Natural Science Foundation of China, 2024, 38: 159-171 [房丰洲, 赖敏, 王金石, 等. 制造发展的三个范式: 制造发展规律的研究. 中国科学基金, 2024, 38: 159-171]

2 Song F Q, Dai Q. Atom manufacturing：a future technique of physical sciences (in Chinese). Physics, 2023, 52: 371-380 [宋凤麒, 戴庆. 原子制造: 物质科学的未来技术. 物理, 2023, 52: 371-380]

3 Gao J, Luo X C, Fang F Z, et al. Fundamentals of atomic and close-to-atomic scale manufacturing: a review. Int J Extreme Manuf, 2021, 4: 012001

4 Zhang X, Li H O, Cao G, et al. Semiconductor quantum computation. Natl Sci Rev, 2019, 6: 32-54

5 O’Brien J L, Schofield S R, Simmons M Y, et al. Towards the fabrication of phosphorus qubits for a silicon quantum computer. Phys Rev B, 2001, 64: 161401

6 Vrijen R, Yablonovitch E, Wang K, et al. Electron-spin-resonance transistors for quantum computing in silicon-germanium heterostructures. Phys Rev A, 2000, 62: 012306

7 Simmons M Y, Ruess F J, Goh K E J, et al. Scanning probe microscopy for silicon device fabrication. Mol Simul, 2005, 31: 505-515

文章信息

杨嘉琪, 李宇昂, 李雪妍, 潘毅*. 超高真空扫描探针辅助的量子器件原子级制造技术. 科学通报, 2026, 71(16): 3598-3611

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