庄黎伟，原子级别“刮大白”要怎么做？

你能想象到的人类制造终极形态是什么？

将加工对象和加工精度推进到物质的基本单元——原子级别，自由操控原子，定制化制造产品——原子级制造，应该能列为其中之一。

比如，在目前全球科技领域最为高端的精密制造领域——晶圆加工，人类操控着极紫外线（EUV）光刻机，使用波长为13.5纳米的光，在芯片上刻画图案。迄今为止，全球只有一家叫作ASML的荷兰公司，能够生产这种EUV光刻机。

1纳米（nm）=0.000 000 001米，而原子直径为0.1纳米。如果原子级制造能够达成，芯片制造的设备、良率，还会是困扰产业界的难题吗？产学界从未停止在EUV技术之外的新突破。

2025年9月，华东理工大学化工学院副教授庄黎伟带领研究团队，联合约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）等高校和机构，采用实验加仿真的方法，开发了化学液相沉积（CLD）制备先进光刻胶的新型工艺。

不同于依赖试错、难以控制的传统aZIF薄膜沉积方法，上述研究将薄膜的厚度精准控制在几纳米到几百纳米之间，并且有效地把控沉积速率。为了验证薄膜应用的可行性，团队采用短波辐射完成了6.5–6.7纳米波长的B-EUV测试。

相对于CLD的液相沉积模式，原子层沉积（ALD）是一种化学气相沉积方法，也是庄黎伟团队的主要研究方向。作为原子级制造的核心技术之一，ALD通过将物质以单原子层的形式一层一层地沉积在基底表面，实现原子级别的精确控制‌，可应用于集成电路、能源、航空航天等领域。

“作为一种先进的镀膜技术，ALD类似‘刮大白’。”庄黎伟向南方周末解释道，只不过“刮大白”是在墙上涂抹装修材料，ALD则是在半导体等器件表面涂覆一层精密的“薄膜油漆”，例如氧化硅、氧化铝、氧化锌、氮化硅等。

庄黎伟 华东理工大学化工学院副教授

庄黎伟此前主要研究膜分离和化工反应器，2019-2020年在约翰霍普金斯大学留学期间，在合作导师迈克尔·萨帕希斯（Michael Tsapatsis）教授的建议下，转向ALD、分子层沉积（MLD）等模型/模拟方法的研究和工艺装备的开发。

2020年回国后，他继续在相关领域探索，领衔成立了“计算传递与原子级制造研究室”，聚焦以ALD为核心的薄膜沉积工艺/装备的多尺度模型和模拟研究。团队搭建了ALD工艺与装备仿真平台，可以开展液态/固态前驱体材料评估、薄膜沉积工艺开发与各类装备的设计优化。

与此同时，庄黎伟团队与美国约翰霍普金斯大学、纽约州立大学石溪分校等研究团队在薄膜沉积领域保持着“中方仿真，美方实验”的合作模式，并联合多家海外机构开展ALD/MLD/CLD等各类薄膜沉积工艺的理论与应用研究。

庄黎伟希望，在未来，ALD仿真平台可以具备精准预测沉积薄膜的微观结构、电子特性和机械性能等功能。团队也将携手更多国内外顶尖高校、科研院所和半导体等先进制造领域的企业，共同构建一个成熟的原子级制造协同创新平台，打通原子级制造从基础研究到产业应用的完整链条。

庄黎伟当选南方周末2025年科创力人物，以下是南方周末研究员对他的访谈。

原子级制造三大挑战：精度、范围、效率

南方周末：你最早是怎么接触到“原子级制造”这个概念的？

庄黎伟：我在博士期间的研究课题其实是膜分离，一种利用特殊制造、具有选择性透过功能的薄膜，在外界能量（如压力差、浓度差、电位差等）的驱动下，对混合物中的不同组分进行分离、提纯、浓缩的先进分离技术，涉及物质在表面沉积。

2019-2020年前往约翰霍普金斯大学交流期间，我在合作导师迈克尔·萨帕希斯教授的带领下开始进行ALD研究。目前，主要开展ALD/MLD/CLD等各类模型/模拟及其在芯片制造、分离膜制备、光刻胶制备和电池方面的应用。ALD是原子级制造的核心技术，也是极具经济价值、国家未来产业倡导的方向。

南方周末：从膜分离到ALD，当时是什么促成了这一转变？

庄黎伟：决定留学深造时，我给哈佛、麻省理工、约翰霍普金斯等高校的化工教授发送了申请邮件，迈克尔老师最先回复并询问我的意向。我之前的膜分离研究主要是模型/模拟，过程中的污垢沉积与ALD有一定的类似性，他从事膜分离实验工作，制备膜时使用了ALD技术，于是我们决心合力开展这方面的研究。回国之后，我们继续开展合作研究，一起发表过三篇论文。

南方周末：膜分离与ALD之间有哪些相通性？

庄黎伟：膜分离是我博士毕业论文的主题，另外博士期间也涉足大量化工反应器、各种类型装备的计算流体力学研究，这些都是ALD技术的支撑力量。我们将化工反应器、膜分离原理模型应用到ALD中，其实是原来的研究成果为当前研究提供了养分。

具体来看，化学工程主要研究动量传递（例如流体如何流动）、热量传递（例如冬天取暖时吹空调）、质量传递（速溶物质在水中混合分散）以及分子碰撞、断键、形成新键等一系列化学反应。从底层角度来看，ALD也会涉及这四个方面。

南方周末：进入ALD领域后，你如何看原子级制造的价值和挑战？

庄黎伟：原子级制造是中国制造实现引领的战略选择，也属于未来六大产业之一，可以广泛应用于芯片制造、新型电池、航空航天等领域。

原子级制造不单指一项具体技术，而是符合这个精度标准的技术群，都属于原子级制造技术，例如我们烹饪食物时将盐、糖、酱油按照高精度元素的比例和步骤进行调配，也可以认为是一种原子级烹饪制造。

目前，原子级制造主要面临三大挑战：一是精度问题，如何按需排布只有零点几纳米的原子；二是范围问题，比如要制造芯片，不仅局限在某个晶体管，而是整片晶圆；三是效率问题，也就是“终极精度”与“宏观产量”之间的平衡。

南方周末：当前中国和全球的ALD研究进展如何？

庄黎伟：ALD技术起源于1960年代的前苏联和芬兰，欧美国家的研究进度会稍快一些，相应的知识积累、硬件设施和人才储备也走在前列。2007年，英特尔在量产45纳米处理器（代号Penryn）时使用了ALD技术，标志着ALD成为集成电路制造的一项标准化技术。

原子级制造从宏观意义上可以理解为堆砖、刷墙或者铲土的过程，微观层面则涉及量子力学问题。如何将微观问题反馈到宏观层面、指导原子级制造，中间还存在较大鸿沟。虽然跨学科较多、技术难度较大，但中国在制造业方面是存在特殊优势的。

例如，我们研究ALD技术需要了解固态/液态前驱体的气液相平衡和气固相平衡，这属于热力学问题；原子在表面沉积涉及到化学反应问题；原子进入纳米深孔中进行扩散时，则需要限域真空物理方面的知识。

南方周末：从微观反映到宏观层面，为什么会存在鸿沟？

庄黎伟：人们肉眼看到的只是设备的宏观尺寸，而对于原子或者分子与机体的相互作用是不了解的。因此，研究人员需要量子力学从微观层面提供相应支持，例如原子的反应快慢、放热和沉积的具体过程等。

我们打造的ALD工艺与装备仿真平台，就是通过计算机建模，在数字世界里复现和预测ALD的整个过程，从而加速研发、优化生产和降低成本。

南方周末：面对试验与仿真两条路径，你们为何选择仿真研究？

庄黎伟：ALD并不是新兴技术，许多大学和知名学者都在开展相关研究，不过多数集中在实验层面，专注于实际发生的事件。

相比之下，模拟仿真需要流体力学、传热传质反应、量子力学等跨领域理论和知识的综合，相关研究较少。我们希望做出更多具有原创性的成绩，团队人员来自化学工程、材料等多个专业背景。

中方仿真，美方实验

南方周末：2025年9月11日，你们联合海外高校和机构，在《自然-化学工程》发表论文，介绍了薄膜沉积技术在先进光刻胶制备方面的应用。这项技术突破了哪些关键难点？

庄黎伟：我们通过化学液相沉积法制备了沸石咪唑酯骨架材料，就是一种可以作为光刻胶的金属有机薄膜。

这项实验有三大突破。一是精确控制薄膜的沉积速率与厚度，例如沉积时间为1秒、2秒、3秒，对应沉积厚度为1纳米、2纳米、3纳米；二是大面积、均匀涂抹光刻胶，意味着工业级的应用潜力；三是光刻胶响应6.5–6.7纳米波长的超越极紫外光源。此外，我们建立的仿真模型有望指导未来的半导体制造，从主流12英寸拓展到18英寸。

南方周末：在这一合作过程中，有没有令你印象深刻的事情？

庄黎伟：我记得在2024年5月，美东时间凌晨3点，迈克尔老师给我发了封邮件，附上7页手稿内容，上面都是偏微分方程及其推导过程，通过数学方法推导光刻胶制备薄膜沉积工艺的传递过程的原理。

他今年60岁了，年纪比较大，又是美国工程院院士，我原来认为他会把精力放在更重要的工作上，而不是做这么细致的事情。这也说明，无论任何年龄、身份，如果想要做好一项科学工作，都可以非常专注，科学家常常需要怀有极大的热忱。

南方周末：他推导的公式，在你们的研究中起到什么作用？

庄黎伟：非常关键的作用。我们进行科学研究时需要预判，就像医生“望闻问切”一样，可能先询问一些症状，心里形成初步判断后再告诉病人要做哪些检查。面对复杂问题，如果前期不做判断直接上手，会给后面的工作带来很大的负担。

对于aZIF薄膜研究，我们需要知道薄膜厚度分布不均的原因——为什么有些地方厚、有些地方薄，中间涉及很多可能的原因。迈克尔老师对其进行了细致分析并判断成因，从而指导后续的仿真和试验工作，大幅提升了工作效率。

南方周末：你们两个团队是如何协作的？

庄黎伟：我们一直保持着“中方仿真，美方实验”的远程科研合作模式。美国团队提供实验数据，中国团队完成建模后，会系统性地比对模拟结果与实验数据，识别差异并分析根源。在此基础上，大家针对具体的差异点进行讨论，商定解决方案。

合作2025年9月那篇论文时，我们还出现了一个有趣的问题——仿真与实验的结果不相符。经过分析，我们发现是实验混合时内部产生了气泡。这个事件说明眼见不一定为实，可能存在未能观察到的因素，模拟仿真对实验有着指导意义。

南方周末：在AI发展突飞猛进的时代，真实和仿真哪个更准确？

庄黎伟：要看具体情况。一种仿真是机理模型——基于明确的数学方程求解得出结果。这种情况下，如果模拟和试验之间存在误差，更可能是来自试验干扰，比如传热、传质以及其他污染等不可控因素。

另一种仿真是数据驱动模型，两类数据只存在相关性，比如我被打了一拳后感觉很疼，但不能通过疼痛判断是否被打了一拳。由于前期训练过程具有黑箱性，无法用明确的控制方程进行机理化描述，模型输出结果可能与真实数据存在差异。

相当于一个是公式推导，一个是逻辑判断，实际应用时两者可以结合。

南方周末：接下来，你们如何将aZIF应用于下一代光刻胶制造？比如更小尺寸的薄膜沉积、更大规模的工业生产？

庄黎伟：随着新型芯片与器件尺寸不断缩小，内部可能出现弯曲、直角等复杂的拓扑结构问题，这些将是我们开展模拟仿真与验证研究的重要方向。在确保精度的同时，我们也会致力于推动薄膜沉积涂层向大面积、均匀化的方向扩展。此外，如果制造工艺成本过高，仍无法实现规模化应用。如何兼顾性能、效率和成本，也是未来研究的重点。

南方周末：类比半导体来看，是不是我们不止追求单个“芯片算力”更高，而是要让整个“数据库”的性能更强？

庄黎伟：可以这样理解。更进一步，我们还要思考一个根本性问题：随着单位面积的晶体管数量增加、芯片性能更强，中间是存在极限的。当超过这个极限，单纯依靠工艺是否会因为代价过高而丧失工业价值？行业是否应当转向新的技术路线？

抓住中国迈向原始创新的机会

南方周末：面对原子级制造这种交叉、前沿学科，你们如何培养学生的跨界融合能力？

庄黎伟：如果一名学生从化学背景转型到化工背景再到计算背景，最后研究集成电路，这些学科本来就存在互通。

我经常对学生强调，不要放弃，许多问题是行业内无法解决的，我们要跳出思维框架和学科背景的束缚，抓住中国从借鉴跟随迈向原始创新的机会。

同时，跨界能力不仅涉及技术本身，还包括不同领域的研究人员之间的交流。这时候，没必要让一个人处理跨学科问题，而是根据项目需要，让不同背景的人协作攻克。

南方周末：你的团队成员来自不同背景，大家怎么协作？

庄黎伟：我们的计算传递与原子级制造研究室分为很多子团队，包括ALD设备团队、微观ALD团队、化学液相沉积团队和前驱体材料团队等。我主要负责统筹项目，针对不同问题进行前期分析并给大家提出具体的任务，前驱体、设备和微观团队都要进行数据共享和交互。如果没有交互机制，很难共同完成某项课题。

南方周末：你们项目组也跟企业有互动，你们如何实现从材料设计到终端工艺的协同？

庄黎伟：ALD技术兼具前沿性和通用性，决定了我们的工作模式天然连接学术与产业。无论华为、长江存储、长鑫存储这样的芯片厂商，还是南大光电、正帆科技等材料公司，都可以用到ALD工艺。

比如，基于ALD仿真平台，我们会为头部芯片制造商优化材料装填与输送方案，提升薄膜的均匀性；或是为设备厂商在新机设计阶段提供模拟分析，找到特定结构与工艺参数下的内部物理化学过程，为其改善设计提供关键依据。

南方周末：与企业展开合作时，你们是先做出仿真模型，然后交给另一个实验团队进行实验，最后实现产业化吗？

庄黎伟：根据不同公司的需求，我们的方式会比较灵活。比如一家设备公司，他们设计的装备向客户供货时，客户对设备生产材料的薄膜均匀性以及批次之间的差异性有一定的要求，但由于工业设备尺寸较大，实验成本很高。

因此，我们会先进行设备的模拟仿真，以指导工艺原理——模拟流体从外部进入设备内部如何分布、材料如何在晶圆或者基板上沉积薄膜，并且解释分布器的工作原理和分布不均的原因。之后，企业根据方案改进设备，接下来再进行实验。

南方周末：未来，你们在产学研合作方面有什么规划？

庄黎伟：我们希望建立一个成熟的平台，一方面收集整个流程线上的不同要求，包括材料公司、零部件公司、设备公司和终端用户；另一方面将需求输入平台，通过模拟仿真和孪生实验，解决他们的实际需求。最终，平台可以在ALD乃至原子级制造层面训练样本，形成指导原子级制造的关键原理和核心技术的大模型。

南方周末研究员 曹妍

责编 黄金萍