文、编辑 | 橙子

前言

在过去几十年里，半导体技术的发展一直推动着科技的飞速进步，而芯片制造作为核心环节，已然成为现代社会的“心脏”。

随着芯片制造工艺的不断提升，传统的光刻技术已渐露短板，面对7纳米、5纳米乃至更小工艺的挑战，光刻机的精度和成本问题愈加突出，甚至面临物理极限的束缚。

在这个关键时刻，中国科学技术大学张树辰特任教授团队联合中外学者，提出了一项创新性的“自刻蚀”技术。

半导体行业面临的技术瓶颈

半导体产业一直是科技行业的重要支柱，尤其在计算机、手机、人工智能等领域，芯片的作用举足轻重。

随着技术的不断发展，芯片的尺寸逐步缩小，晶体管的数量不断增加，摩尔定律长期以来是驱动这一进步的核心。随着工艺不断向更小尺寸演进，传统的光刻技术已经逐渐暴露出一些难以突破的瓶颈。

光刻技术作为半导体生产中至关重要的一环，其核心是利用特定波长的光线（先进工艺中以极紫外光EUV为主）将电路图案刻印到芯片的硅片上。

这项技术高度依赖光刻机的精准度，随着芯片尺寸持续缩小，光刻技术的精度已逐步接近物理极限。在7纳米、5纳米甚至更小的工艺节点上，不仅需要多次曝光等复杂流程，光刻机的工作难度和设备成本也急剧上升。

目前，一台极紫外光（EUV）光刻机的价格高达1.5亿至2亿美元，且维护成本高昂，这对于全球绝大多数半导体厂商而言，都是巨大的经济负担。

此外，光刻技术的高能耗问题也引发广泛关注。生产过程中的高能耗不仅推高制造成本，还增加了环保压力。

更重要的是，随着摩尔定律逐渐遭遇物理限制，继续依靠光刻技术推进芯片制造工艺革新的难度越来越大。

此时，张树辰团队的“自刻蚀”技术的出现，无疑为半导体行业突破材料加工瓶颈带来了一线希望。

张树辰团队的“自刻蚀”技术突破

中国科学技术大学张树辰特任教授团队联合美国普渡大学、上海科技大学等机构研究人员，研发的“自刻蚀”技术，打破了传统半导体材料加工工艺的局限性，提出了一种全新的材料精密制备方式。

与传统依赖光刻机等大型机械设备的刻蚀工艺不同，“自刻蚀”技术通过激活材料自身应力并结合配体辅助作用，实现了半导体材料的精准图案化构筑，为后续电路结构制备奠定基础。

这一技术的核心原理并非单纯依赖材料自组装，而是通过配体辅助异丙醇（IPA）激活晶体内应力，引导二维钙钛矿等离子型软晶格材料发生可控的面内自刻蚀，形成规则取向的微观结构（如方形孔洞阵列）；

再通过内嵌外延策略填充不同半导体材料，最终构筑出高质量的异质结结构。该技术已通过实验验证具备可行性，相关成果于2026年1月15日在线发表在国际权威学术期刊《自然》（Nature）上。

这一过程类似于通过调控环境条件引导晶体定向生长与塑形：研究团队先通过界面法获得大面积、超薄的二维钙钛矿单晶，再在精心设计的配体–异丙醇溶液体系中控制刻蚀进程。

通过延长醇链（如使用辛醇）降低溶解速率，实现温和且精准的刻蚀控制；结合图案化掩膜技术，还可实现周期性阵列化结构的构筑。

不同于传统强溶剂刻蚀或紫外光图案化方法，这种方式能最大限度保留晶格完整性，且能耗更低，具备显著的技术优势。

通过这种精准调控的刻蚀与外延生长结合的方式，可实现原子级平整的材料界面构筑，为制备更小尺寸的半导体器件提供了可能，理论上能突破传统光刻技术在软晶格材料加工中的尺寸与损伤局限。

这意味着，未来在特定半导体器件（如发光二极管、光伏器件）制造中，有望减少对部分高端光刻设备的依赖，通过更温和、高效的工艺实现材料加工。

自刻蚀技术的挑战与前景

尽管“自刻蚀”技术为半导体材料加工带来了突破性进展，但要实现大规模工业化应用并延伸至芯片核心制造环节，仍然面临诸多挑战。

目前，张树辰团队的研究已在实验室层面验证了技术可行性，但从实验室成果到工业化生产，还需要解决一系列关键问题。

其中最核心的问题是大规模生产的一致性控制。自刻蚀过程对溶液浓度、温度、配体比例等环境因素极为敏感，微小波动可能导致微观结构的偏差，如何在批量生产中确保每一批次、每一片材料的结构一致性，是该技术走向应用的最大挑战之一。

当前实验室阶段可实现精准调控，但工业化场景下的多参数协同控制难度大幅提升。

此外，技术兼容性与产业链适配也是重要课题。现有半导体芯片制造以硅基材料和成熟光刻工艺为核心，已形成完整的产业链体系，而自刻蚀技术目前主要基于二维钙钛矿等离子型软晶格材料，与传统硅基工艺的适配性尚需验证。

要将这一技术引入现有芯片生产线，可能需要对部分制造流程进行调整，甚至开发全新的器件设计方案，这需要全产业链的协同创新。

另一个关键挑战是新型材料的规模化供应与稳定性提升。当前二维钙钛矿等离子型软晶格材料的规模化生产仍处于初级阶段，其纯度、长期稳定性、抗环境干扰能力等方面均需进一步优化。

从应用前景来看，该技术目前更侧重于发光器件、光伏器件等特定领域的材料制备，已展示出在多色发光像素及LED器件中的应用潜力，未来若能突破上述挑战，有望逐步延伸至更多半导体器件制造场景，为半导体产业提供全新的技术路径。

结语

张树辰团队研发的“自刻蚀”技术，无疑是半导体材料加工领域的一项突破性创新，它为解决传统光刻技术在软晶格材料加工中的瓶颈提供了全新思路，也为半导体产业的技术革新注入了新的活力。

尽管这项技术目前仍处于实验室向工业化过渡的阶段，面临一致性控制、工艺兼容性和材料供应链等多重挑战，但其在精准加工、低能耗、晶格保护等方面的优势已十分显著，应用潜力值得期待。

如果未来能够成功突破这些技术瓶颈，实现规模化、低成本的工业化应用，有望在特定半导体器件制造中大幅优化生产流程，降低对高端光刻设备的依赖，同时推动芯片及光电子器件向更小尺寸、更高性能、更环保的方向发展。

张树辰团队的这一创新探索，不仅彰显了我国在半导体材料领域的科研实力，更可能引领全球半导体加工技术的新方向，为全球科技产业发展带来深远影响。

信息来源：

中国科大实现二维钙钛矿单晶面内马赛克异质结-中国科大新闻网；

【安徽日报】半导体领域新突破!中国科大以“自刻蚀”实现材料精密制备-中国科大新闻网