半导体器件制造流程中，有一个关键步骤叫做外延。它指的是通过特定方法，让基片表面像“砌墙”一样，长出排列整齐的原子级薄膜。这层膜是半导体器件的“原子地基”，许多半导体器件都要建造在这个“地基”之上。

曹彦伟研究员（右）。郭婧 摄

近日，记者从中国科学院宁波材料技术与工程研究所获悉，该所原子尺度与微纳制造实验室曹彦伟团队成功研制出4英寸原子级磁控溅射外延系统，用原本不被看好的磁控溅射技术制备出了高质量大尺寸单晶功能薄膜，为我国集成电路、量子科技等领域关键外延设备的自主可控，提供了新的技术路径和装备选择。

“第三条路线”

在中国科学院宁波材料所原子尺度与微纳制造实验室，多台4英寸原子级磁控溅射外延设备被特殊材料包裹着，不同设备窗口分别透出蓝色、紫色、红色的光。

“这些光对应不同的等离子体，而等离子体正是我们制备原子级外延的关键。”曹彦伟研究员解释道。

外延指的是通过特定方法，让基片表面像“砌墙”一样，长出排列整齐的原子级薄膜。这层膜好比半导体器件的“原子地基”。

曹彦伟用乐高积木解释：把每个原子想成一块乐高，普通磁控溅射长出来的薄膜，像积木被随手倒在桌上，杂乱无章；外延，是让积木按图纸整整齐齐码在桌面上。

为什么非要整齐？他以硅为例：芯片级硅单晶纯度要做到99.99999%以上。缺陷足够少，电子才能跑得快、器件才能工作。“让100个人在操场三三两两站着容易，让1000个人列队很难；真实材料里要排队的是几千万亿个原子，还要求极低缺陷，这是最难的一关。”

而要“长”出原子排列整齐的大尺寸单晶薄膜，主流传统路径无非两种：分子束外延和化学气相沉积。

但是，分子束外延受限于额外的氮离子产生效率较低，化学气相沉积则面临反应前驱体缺乏的瓶颈。两者在大尺寸过渡金属氮化物单晶薄膜生长中各有短板。

“多年来，我们一直在探索新型功能材料，过渡金属氮化物就是很有潜力的一类，比如氮化钛具有超导性，面向超导量子芯片；钪掺杂氮化铝是新型铁电半导体，面向铁电存储芯片和射频芯片。”

既然已知的两种传统外延技术难以制备高质量过渡金属氮化物，那为何不想想“第三条路线”？

“我在国外做研究时曾偶然了解到，磁控溅射能够制备直径达8米（8000毫米）的天文望远镜用光学薄膜，令人印象深刻。但是，这些大尺寸薄膜一般是多晶。当时就想，是不是可以利用这个大尺寸优势，实现单晶薄膜的磁控溅射外延？”曹彦伟有了新思路。

“手搓”磁控溅射外延系统

没有先例，就代表所有工作都是探索性的。

作为一种物理气相沉积(PVD)技术，磁控溅射的基本原理是利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子获得足够动能溅射出来，沉积在基片上形成薄膜。

目前，磁控溅射技术多用于制备多晶薄膜，应用于表面涂层等领域。要把该技术应用到薄膜外延这个新领域，需克服不少难题。

“分子束外延之所以能够制备出高质量的外延薄膜，关键在于对‘分子束’量和飞行轨迹的精准控制。”曹彦伟认为，若要实现磁控溅射粒子能量和飞行轨迹的精准控制，就需实现对等离子体的精准调控，其背后是气压、功率、温度等变量。

基于大量实验数据分析，曹彦伟团队提出了等离子体多场调控模型，最终实现了对等离子体的精准调控。2018年至今，曹彦伟团队相继研制出厘米级和2英寸级设备，如今的4英寸系统是新的里程碑。

“搞设备不像发论文有即时反馈，更多是画图纸、拧螺丝、调参数、夜以继日，无数次推翻重来。”团队张顺达博士后介绍，做出原型机之后，团队又围绕热失效等关键指标持续迭代。

团队科研人员在自研原子级磁控溅射外延系统旁探讨技术。张超梁 摄

虽是“手搓”设备，但是却能够制备出其它外延方法难以达到的高质量单晶薄膜。“以我们制备的4英寸铝钪氮/氮化钛单晶异质结薄膜外延片为例，X射线摇摆曲线半峰宽小到0.02°，并能保证中心和边缘的高度均匀分布，这在业界是非常高的水平。”张如意副研究员介绍。

据了解，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，走通4英寸，向6英寸、8英寸、12英寸扩展就有了现实基础。“我们研制的设备已落户高校院所和半导体企业并投入运行，同时还在开发更多可量产的外延设备。”

曹彦伟表示，今天的成果还只是“一层有序的膜”，算是第一步，团队的终极目标是在三维空间里任意搭形状——金字塔、大风车……

“科学工具决定能力边界。把工具握在自己手里，原子级制造的路才能越走越宽。这也是我们这项研究的价值所在。”曹彦伟意味深长地说。

（原文发布于2026年10月26日潮新闻客户端）

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