“这台4英寸原子级制造设备的成功研发，让电子信息材料迈出从实验室样品到规模化制造的关键一步！”

中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）日前发布消息，该所原子尺度与微纳制造实验室量子功能材料团队历时八年，成功研制出“4英寸原子级磁控溅射外延设备”。

该设备基于团队提出的一种大尺寸单晶薄膜的原子级制造新理念，为我国集成电路、量子科技等领域大尺寸单晶薄膜生长设备的自主可控，提供了新的技术路径和装备选择。

运行中的4英寸原子级磁控溅射外延设备。记者 施文/摄。

在实验室桌面上，摆着两块不同颜色的4英寸单晶薄膜。

其中一块透明的，是掺钪氮化铝（AlScN）压电薄膜。这是下一代射频滤波器的核心材料——传统滤波器用氮化铝（AlN），掺钪之后压电系数大幅提升，能做出带宽更宽、频率更高的体声波（BAW）滤波器，直接对接5G/6G通信基站和手机射频前端。

另一块泛着金色光泽的，是氮化钛（TiN）超导薄膜。原子尺度与微纳制造实验室副主任曹彦伟告诉记者，这种薄膜未来的应用场景是超导量子芯片——量子芯片对薄膜的纯度、结晶质量和界面平整度要求极高，是目前量子科技领域的前沿方向之一。

“4英寸，是电子信息材料从科研实验室走向量产器件制造工厂的关键尺寸。”曹彦伟表示，团队历时八年持续攻关，突破了主流观点认为磁控溅射难以制备大尺寸单晶薄膜（4英寸及以上）的认知局限，让原子按照设计路径，一层一层地“长”出来。

什么是“原子级外延”？

一颗高端芯片，由成百上千层薄膜堆叠而成。这些薄膜厚度通常只有几纳米，每一层都决定着电子能不能跑、跑得多快。

普通磁控溅射生长出来的薄膜，原子是杂乱的。就像乐高积木被随手倒在桌上，模块之间没有顺序，而“外延”是让每一个原子像乐高模块一样，整整齐齐地排列在衬底上，自下而上地在原子尺度上“盖房子”。

“如果将原子排布比作人排队，让100个人在操场上有序排列尚且容易，但在真实材料里，需要几万亿个原子均匀有序排布，极具挑战。”曹彦伟说，在芯片里电子跑得快慢，全看原子排得整不整齐，杂质多一个量级，电子跑不快，芯片就无法正常运行。

此前，国际上制备晶圆级单晶薄膜，主流是两条路线：

一种是MBE（分子束外延）：在超高真空环境里把分子束直接“喷”到衬底上，精度能控制到单个原子层，是实验室里探索新材料的利器；但其生长速度慢、缺少氮离子源，在复杂多元的高熔点氮化物面前同样受限。

另一种是CVD（化学气相沉积）：把含金属的有机源和反应气体通入反应腔，在高温下让原子一层层“长”在衬底上。它是当下LED、功率半导体产线上的主力，成熟、量大、生长快；但对很多新材料体系缺乏金属有机源，且用的原材料多为易燃易爆的剧毒气体，安全和运行成本高，难以制备高质量的复杂过渡金属氮化物。

曹彦伟研究员手持4英寸氮化钛超导晶圆。

为了推动高水平科技自立自强，曹彦伟团队提出了第三种路径：利用原子级磁控溅射外延的方法实现大尺寸单晶薄膜的原子级有序生长。

“让原子排整齐的关键，是等离子体参数的精确控制。”曹彦伟介绍，等离子体是固、液、气之外的第四种物质形态，团队用一种特殊的等离子体多场调控技术，让大规模原子像被指挥过一样，齐刷刷落到衬底上。

更重要的是，这种方法产生的是天然的氮等离子体，温度极高，连氮化钛这种熔点接近3000℃的“难熔材料”都能被蒸镀成膜——这是前两种方法难以做到的。

曹彦伟透露，下一步，团队计划将晶圆尺寸从4英寸继续往6英寸、8英寸发展，最终做到先进半导体产线的主流规格12英寸；产业创新方面，团队研制的小尺寸原子级磁控溅射外延已经实现了小批量对外供货，4英寸及以上的设备还在工程化推进中。

“高端科研设备是国家重大战略需求。”曹彦伟说，“我们要做的，就是把‘原子级制造方法’这项技术，牢牢攥在自己手里。”

（原文发布于2026年10月26日甬派客户端）

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