摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

摩尔定律放缓背景下，亚5纳米结构的规模化、可重复制造，已成为全球半导体产业与纳米科技领域的核心攻坚难题。现有技术多受制于串行工艺的低效率与制备过程的高波动性，难以支撑下一代器件的商业化落地。

近期，西安交通大学第一附属医院任冯刚教授、罗四海教授团队及西安交通大学前沿科学技术研究院邵金友教授、陈小亮教授团队联合在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Scalable and reproducible sub-5 nm manufacturing for next-generation devices”的文章，综述了亚5纳米制造领域前沿技术，聚焦规模化量产核心方案，为量子器件、神经网络芯片等下一代器件的发展提供了关键技术指引。

图1 可扩展与可重复sub-5 nm制造方法及应用概述。

2.图文解析

在量子计算、神经网络等前沿领域的驱动下，亚5纳米级结构的可控制造成为解锁器件性能上限的关键，催生了各类创新光刻与加工技术的突破。主流极紫外光刻（EUVL）作为先进制程核心技术，虽具备高可扩展性与良好重复性，但需依赖多重曝光工艺实现5纳米以下图形化，且设备成本高、供应集中，其重复性还受光源稳定性、掩模缺陷及光刻胶性能等因素制约。极紫外干涉光刻（EUV-IL）的改进型镜面干涉光刻（EUV-MIL）技术通过创新性光学设计（如双镜干涉仪），利用相干光束干涉原理，成功突破传统光刻分辨率极限，实现4纳米半节距（HP）的高精度图形化。未来，该技术有望通过优化光学稳定性、提升制程兼容性与量产效率，为量子芯片、高端存储等前沿领域微型化提供核心支撑，推动半导体制造迈入更高分辨率维度。

图2 极紫外干涉光刻技术亚5纳米制造研究进展。

亚5纳米制造技术已形成多元化突破格局，为各类前沿应用落地奠定坚实基础。在光学应用领域，表面增强拉曼光谱（SERS）技术的性能跃升便是典型成果。通过激光直写、粘附光刻等技术，可精准制备亚5纳米金属纳米间隙结构——这类结构能借助局域电磁场“热点”效应大幅增强拉曼信号，同时兼具大面积均匀性与高密度热点优势。目前，该技术已成功应用于环境纳米颗粒、湖水痕量农药等精准检测场景，为生物医药、环境监测等领域搭建起高效检测平台。

图3 表面增强拉曼光谱应用。

在核心电学应用场景中，亚5纳米制造工艺正凭借原子级精度的纳米间隙调控能力，为电子器件革新注入核心动力。通过原子层光刻、粘附光刻、激光直写等技术构建的亚5纳米电极阵列，可在超低工作电压（<1 V）下实现的高开关比与稳定性，不仅大幅降低了存储单元的能耗，更与神经网络芯片对能效和计算密度的严苛需求深度契合，可支撑高密度突触仿生结构与存算一体架构的集成，为神经形态计算、边缘智能设备中的类脑芯片开发提供了关键工艺路径。

图4 存储器件应用。

3.总结与展望

亚5纳米制造技术的突破将推动半导体产业向原子级精度与三维（3D）集成方向演进，其核心在于跨材料、工艺、计量及架构的协同创新。通过开发新型图案化材料与智能算法优化光刻工艺，结合高精度3D制造与原子级加工技术，可突破传统硅基器件的物理极限，实现超低功耗、高密度集成的量子器件与神经形态芯片。同时，AI与先进计量技术的深度融合将加速制造闭环的智能化升级，而跨学科协作（如半导体物理、量子信息、生物电子）将催生颠覆性应用生态。未来十年，该领域需攻克原子级制造的可扩展性难题，建立“设计-制造-表征”全链条创新体系，最终推动微电子技术向量子精确制造与智能硬件的范式跃迁，重塑算力、通信及医疗等产业格局。

  图5 挑战与展望。