Das ultimative Paradigma der Chipherstellung: Atomare Fertigung
Derzeit hat die Chipfertigung das Stadium der 3-Nanometer-Prozessierung erreicht, was gleichbedeutend damit ist, 100 Atome eng aneinander zu reihen. Aber herkömmliche Lithographiegeräte sind wie grobe Pinsel beim Streichen von Wänden, und es wird immer schwieriger, die steigenden Anforderungen an die Chipleistung mit ihnen zu erfüllen. Vor diesem Hintergrund ist die atomare Fertigungstechnologie entstanden. Sie ist wie ein Mikroskop und feine Pinzetten für Ingenieure, die es ermöglichen, einzelne Atome zu manipulieren und aufzubauen und so einen revolutionären Durchbruch in der Chipfertigung zu erzielen.
Im Elektronikbereich löst die atomare Fertigungstechnologie eine tiefgreifende Veränderung aus. Nehmen wir die Fertigung von integrierten Schaltungen als Beispiel. Mit der Beschleunigung der Entwicklung von Elektronikprodukten hin zu Miniaturisierung und hoher Leistung steigen auch die Anforderungen an die Chipleistung stetig. Die atomare Fertigungstechnologie kann die Leistung von Chips erheblich verbessern, indem sie die Anordnung der Atome im Chip präzise kontrolliert und so Verunreinigungen und Defekte effektiv reduziert. Laut Branchenschätzungen würden Größe und Stromverbrauch eines Chips auf weniger als ein Tausendstel der gegenwärtigen Werte sinken, wenn die Massenproduktion von Chips mit einatomigen Merkmalen möglich wäre, während die Rechenleistung um das Tausendfache steigen könnte. Dies würde die Branche der integrierten Schaltungen grundlegend verändern.
Was ist die atomare Fertigung?
Die atomare Fertigung wird als die zukünftige Entwicklungstrend der Fertigungsindustrie angesehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungstechnologien ist sie nicht nur in Bezug auf die Größe miniaturisiert, sondern auch in Bezug auf die Präzision auf ein bisher unerreichbares Niveau gestiegen. Sie wird als die "Endform" der Fertigungstechnologie bezeichnet.
Als eine revolutionäre Fertigungstechnologie zielt die atomare Fertigung darauf ab, durch die massenhafte und präzise Manipulation von Atomen den kontrollierbaren Bereich des Fertigungsprozesses auf die Ebene der Atome und atomaren Bausteine zu bringen. In diesem Prozess nähert sich die Fertigungspräzision immer mehr der Atomskala, und schrittweise wird die präzise Konstruktion von atomaren Strukturen erreicht, bis schließlich der ideale Zustand der "Erzeugung nach Bedarf, Atom für Atom" erreicht wird. Mit dieser Technologie können die Produktleistung die bestehenden Grenzen überschreiten und sich dem theoretischen Grenzwert annähern.
Wenn man die Innovation der Fertigungselemente betrachtet, wird die atomare Fertigung die drei Schlüsselbestandteile der herkömmlichen Fertigung grundlegend verändern:
Verarbeitungsobjekt: Es erfolgt ein grundlegender Übergang von kontinuierlichen makroskopischen Materialien zu diskreten Atomen. Dieser Übergang ermöglicht es, die Grundeinheiten von Materialien auf mikroskopischer Ebene präzise aufzubauen und so die maßgeschneiderte Entwicklung von Materialeigenschaften zu ermöglichen. Beispielsweise können neue funktionelle Materialien mit einer bestimmten Atomordnung nach Bedarf entwickelt werden.
Verarbeitungspräzision: Es erfolgt ein Sprung von der herkömmlichen Skala zur Atomskala. Dies bedeutet, dass der Fertigungsprozess die Anordnung und die Kombinationsstruktur der Atome präzise steuern kann, was die Präzision der Fertigung und die Kontrollierbarkeit der Produktqualität erheblich verbessert und die Fehler in der mikroskopischen Struktur von Produkten auf die Atomskala reduziert.
Leistungsbestimmungsmodell: Das traditionelle Modell, in dem die Produktleistung durch "Material + Struktur" bestimmt wird, wird überwunden, und ein neues Paradigma, in dem die "Atommanipulation direkt die Produktleistung bestimmt", wird etabliert. Dieser Durchbruch eröffnet neue Wege für die Entwicklung von neuen Materialien und Produkten mit hoher Leistung und vielseitigen Funktionen. Beispielsweise können spezielle Materialien mit hoher Leitfähigkeit und hoher Stärke durch die Anpassung der Atomzusammensetzung und -anordnung entwickelt werden.
Schlüsseltechnologien der atomaren Fertigung
Die atomare Fertigungstechnologie hat aufgrund ihres subversiven Potenzials von der chinesischen Ministerium für Industrie und Informationstechnik als eine der sechs Kernentwicklungstrends für die Zukunft ausgewiesen. Das Wesen dieser Technologie liegt in der bisher unerreichbaren präzisen Manipulation der Atome, den Grundbausteinen der materiellen Welt. Durch komplexe Operationen wie das präzise Entfernen, Abscheiden, Verschieben und Zusammenfügen von Atomen können hochleistungsfähige Produkte mit einer bestimmten Atomordnung hergestellt werden.
Betrachtet man die technologische Entwicklung, ist die atomare Fertigung nicht einfach die "Vernanomisierung der Fertigungsskala". Sie markiert vielmehr einen tiefgreifenden Übergang der menschlichen Fertigungsaktivitäten von der "Gestaltung der materiellen Form" in der traditionellen Industrierevolution zur "Aufdeckung der materiellen Natur und Umgestaltung der materiellen Struktur" in der Ära der Quantentechnologie. Es ist ein gewaltiger Sprung in der Fähigkeit der Menschen, die mikroskopische Welt zu erkunden und zu erschaffen. Die folgenden Technologien sind hauptsächlich involviert:
Atomlagenabscheidung: Die Atomlagenabscheidungstechnologie (Atomic Layer Deposition, ALD) ist eine Technologie zur Herstellung von dünnen Filmen, bei der die Schichten atomweise aufgebaut werden. Der Hauptvorteil dieser Technologie liegt in der hohen Kontrollierbarkeit der Dicke der abgeschiedenen Filme, ihrer ausgezeichneten Gleichmäßigkeit und dreidimensionalen Konformität. Dies macht sie in der fortschrittlichen Halbleiterprozessierung zur Schlüsseltechnologie für die Abscheidung von funktionellen Filmen. Mit der ständigen Expansion der globalen Halbleiterindustrie und der zunehmenden Konkurrenz in der Märkte steht die Halbleitergerätefertigung vor einer neuen Technologieumwälzung. Die atomare Fertigungstechnologie, repräsentiert durch ALD-Geräte, könnte zu einem wichtigen Marktsegment werden. Laut Statistiken der SEMI hat die ALD derzeit einen Marktanteil von etwa 11 % bis 13 % im Bereich der Halbleiterbeschichtung. Es wird erwartet, dass dieser Anteil in den nächsten Jahren mit einer zusammengesetzten Wachstumsrate von 26,3 % stark ansteigen wird.
Atomlagenätzung: Die Atomlagenätzung (ALE) ist eine Nanoverarbeitungstechnologie, die auf "selbstbegrenzenden Reaktionen" basiert. Das Besondere an ihr ist, dass Materialschichten atomweise von der Oberfläche entfernt werden, um so einen präzisen und gleichmäßigen Ätzprozess zu erreichen. Sie steht im Gegensatz zur ALD (Atomlagenabscheidung), wobei die eine Schichten abscheidet und die andere Schichten entfernt. Als wichtiger Bestandteil der atomaren Fertigungstechnologie kann die Atomlagenätzung Materialien atomweise präzise entfernen und so die Präzision der mikroskopischen Strukturen in der Chipfertigung sicherstellen. Sie ist somit von entscheidender Bedeutung für die Produktion von Chips mit fortschrittlichen Prozessen.
Atomare Präzisionspositionierungstechnologie: Herkömmliche Messmethoden haben deutliche Einschränkungen in Bezug auf die Messung mehrerer Freiheitsgrade (DOF), die Störungsfestigkeit und die Kompaktheit der Struktur. Sie können die dringenden Anforderungen der atomaren Fertigung an die präzise Positionierung nicht erfüllen. Vor diesem Hintergrund wird der Gitterinterferometer aufgrund seiner ausgezeichneten Fähigkeit zur Messung mehrerer Freiheitsgrade, seiner Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen und seiner Vorteile bei der Miniaturisierung und Integration zunehmend zur Kerntechnologie für die präzise Fertigung und die Nanometrologie. Die Notwendigkeit und Dringlichkeit einer eingehenden Forschung und einer industriellen Anwendung dieser Technologie werden immer deutlicher.
Atomare Poliertechnik: Das Hauptziel dieser Technologie ist es, eine atomare Ebenheit und eine extrem geringe Rauheit der Waferoberfläche zu erreichen. Dabei soll die lokale und sogar globale Ebenheit des Wafers kleiner als 0,1 nm sein, und gleichzeitig sollen Unterflächenschäden und Oberflächenverschmutzungen so weit wie möglich unterdrückt werden. Derzeit sind die gängigsten Methoden der atomaren Poliertechnik die chemisch-mechanische Polierung (CMP), die Plasmapolierung und die Ionenstrahlpolierung. Obwohl diese Technologien theoretisch alle großes Potenzial für die Erreichung einer atomaren Ebenheit haben und in bestimmten Materialien und Anwendungsfällen gute Ergebnisse gezeigt haben, stehen die industrielle und massenhafte Anwendung der atomaren Poliertechnik in China vor erheblichen Herausforderungen aufgrund von verschiedenen "Engpässen", wie der Optimierung der Poliersuspensionsrezeptur, der Entwicklung von Kernausrüstungen und der Einstellung der Prozessparameter. Es ist dringend erforderlich, die Schlüsseltechnikbarrieren zu überwinden.
Häufige Politikmaßnahmen: Schutz für die Entwicklung der atomaren Fertigung
Die atomare Fertigung ist eine zukünftige Industrie mit hoher technischer Herausforderung, industrieller Innovation, internationaler Strategie und wirtschaftlicher Impulsgeberwirkung. Sie befindet sich derzeit im kritischen Stadium des Übergangs von der theoretischen Innovation und dem Durchbruch in den Schlüsseltechnologien zur industriellen Umsetzung. Mehrere Akademiker wie Zhu Shining, Yang Huayong, Wang Weihua, Tan Jiubin und Xie Suyuan haben gemeinsam aufgerufen, die strategische Chance zu nutzen und einen neuen Wettlauf für die zukünftige atomare Fertigungsindustrie zu eröffnen. Die Akademiker schlagen vor, dass China die Kernmerkmale der zukünftigen Industrie, der Endfertigung und der grundlegenden Interdisziplinarität voll ausnutzen sollte, die oberste Ebene der industriellen Innovation gestalten und präzise politische Unterstützung leisten sollte. Es ist notwendig, die makroskopische Leitung, die industrielle kooperative Innovation und die Aufbau des Ökosystems zu stärken, um die wissenschaftliche und technologische Innovation in der atomaren Fertigung zu nutzen, um einen neuen Wettlauf für die zukünftige Fertigung zu eröffnen, den Prozess der industriellen Skalierung der Technologie zu beschleunigen, die wissenschaftliche und technologische Innovation und die industrielle Innovation tiefgreifend zu integrieren und eine hochwertige, hochkontrollierbare und international führende zukünftige atomare Fertigungsindustrie aufzubauen.
Betrachtet man die politischen Maßnahmen, hat China die Unterstützung für die atomare Fertigung stetig verstärkt und das politische System verbessert:
Im Jahr 2016 hat das nationale Schwerpunktforschungsprogramm das Projekt "Nanoscience and Technology" gestartet und die Materialgestaltung und -manipulation auf atomarer Ebene in den Schwerpunkt der Forschung aufgenommen. Dies hat die Grundlage für die Forschung und Entwicklung der atomaren Fertigungstechnologie gelegt.
Im Jahr 2018 haben die Stadt Nanjing und die Nanjing-Universität gemeinsam das erste chinesische Forschungsinstitut für atomare Fertigung gegründet und so eine Plattform für die kooperative Innovation zwischen Industrie, Hochschule und Forschung geschaffen. Professor Song Fengqi, Leiter eines nationalen Forschungsprojekts, hat sein Team dabei geführt, mehrere technische Schwierigkeiten zu überwinden und die Geräte für die atomare Fertigung mehrmals zu verbessern. Im Jahr 2019 konnte die Verarbeitungsgeschwindigkeit erheblich gesteigert werden, und es war möglich, in wenigen Minuten Atomclusterpartikel auf einem 1-Zoll-Siliziumwafer herzustellen (für die Sensorfertigung einsetzbar). Dieses Gerät wurde erfolgreich in die Ausstellung der wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften des 13. Fünfjahresplans aufgenommen.
Im Jahr 2024 hat die Förderung der atomaren Fertigung einen Schub bekommen: Am 20. September 2024 fand die Sitzung zur innovativen Entwicklung der atomaren Fertigung statt, in der es um die wissenschaftliche Richtigkeit und die Durchführbarkeit des "Implementierungsplans für die innovative Entwicklung der atomaren Fertigung (2025 - 2030)" ging. Am 23. November 2024 wurde das erste Forum für die industrielle Entwicklung der atomaren Fertigung abgehalten. Unter der Leitung des Ministeriums für Industrie und Informationstechnik wurde das "Allianz für die innovative Entwicklung der atomaren Fertigung" von fast hundert Hochschulen, Forschungsinstituten und Unternehmen gemeinsam gegründet. Dies markiert den ersten Schritt zur Etablierung eines Systems für die kooperative industrielle Innovation. Am 4. Dezember 2024 hat ein Verantwortlicher des Ministeriums für Industrie und Informationstechnik auf der Konferenz zur Entwicklung der Ausrüstungsfertigung 2024 klar gemacht, dass die Integration von wissenschaftlicher und technologischer Innovation und industrieller Innovation gefördert werden soll und die Entwicklung der atomaren Fertigungsindustrie beschleunigt werden soll. Vom 26. bis 27. Dezember 2024 wurde auf der nationalen Konferenz für die Arbeit in der Industrie und Informationstechnik beschlossen, politische Maßnahmen für die innovative Entwicklung in Bereichen wie der atomaren Fertigung zu formulieren und das politische Sicherungssystem weiter zu verbessern.
Im Jahr 2025 wurde die politische Unterstützung noch verstärkt. Am 2. September 2025 haben das Ministerium für Industrie und Informationstechnik und das Nationale Marktaufsichtsamt gemeinsam den "Aktionsplan für das stabile Wachstum der Elektronik- und Informationstechnikindustrie von 2025 bis 2030" herausgegeben. Hierin wurde erstmals die "atomare Fertigung" in einen offiziellen Aktionsplan eines nationalen Ministeriums aufgenommen. Es wird klar festgelegt, dass die Grundlagenforschung in Bereichen wie den allfesten Batterien und der atomaren Fertigung unterstützt werden soll. Dies markiert eine beispiellose Stärkung der strategischen Position der atomaren Fertigung.
Eine Reihe von politischen Maßnahmen zeigt, dass China durch die oberste Ebene der Planung und die politische Leitung die Entwicklung der atomaren Fertigungstechnologie systematisch fördert und den Aufbau von nationalen Innovationszentren für die Fertigungsindustrie stärkt, um die allgemeine Stufe der chinesischen Fertigungsindustrie und die internationale Kernwettbewerbsfähigkeit zu verbessern.
Chinesische Unternehmen beschleunigen die Expansion: Herausforderungen und Chancen
Getrieben durch die politische Unterstützung und die Marktbedürfnisse haben chinesische Unternehmen begonnen, sich aktiv im Bereich der atomaren Fertigung zu positionieren. Einige Unternehmen haben Durchbrüche in den Kerntechnologien und der industriellen Anwendung erzielt.
Als der wichtigste Treiber für die industrielle Umsetzung der ALD-Technologie konzentriert sich Micro-Nano Technology auf die Anwendung der ALD-Technologie in Bereichen wie Halbleitern, Halbleiterähnlichen Materialien, erneuerbaren Energien und neuen Materialien. Derzeit hat das Unternehmen mehrere Produktreihen wie iTomic HiK, iTomic MW und iTomic PE entwickelt, die auf der ALD-Technologie basieren. Diese Produkte decken viele Anwendungsbereiche wie Logikchips, Speicherchips, fortschrittliche Verpackungen und Verbundhalbleiter ab und haben enge Partnerschaften mit mehreren chinesischen führenden Herstellern aufgebaut. Mehrere Schlüsselindikatoren der Geräte haben international anerkannte Standards erreicht.
Professor Lu Xinchun von der Tsinghua-Universität konzentriert sich auf die industrielle Umsetzung der atomaren Fertigung. Er ist derzeit der Vorsitzende und Chefwissenschaftler von Huahai Qingke Co., Ltd. Sein Team hat eine chinesische Maschine für die chemisch-mechanische Polierung (CMP) entwickelt, die erfolgreich in der Fertigung von High-End-Chips eingesetzt wird. Die Polierpräzision erreicht 0,1 Nanometer, was die Lücke in der Technologie für High-End-Polierausrüstungen in China schließt.
Obwohl China in der atomaren Fertigung bereits vorläufige Ergebnisse erzielt hat, stehen wir immer noch vor vielen erheblichen Herausforderungen. In Zukunft müssen wir uns auf die Lösung von gemeinsamen Problemen wie der Software für die atomare Gestaltung, dem Selbstorganisationsprozess und der In-situ-Detektionstechnologie konzentrieren und einen gesamten Standardsatz für Materialien, Ausrüstungen