初创公司纳米级3D打印技术，可将芯片制造成本减少90%

近日，一家名为 Atum Works 的初创公司宣布了一项可能改变芯片制造成本的新技术。该公司声称，通过其开发的纳米级 3D 打印技术，可以将芯片制造成本降低约 90%。不过，这项技术目前仍存在一定限制，尤其是在逻辑芯片制造领域，其技术水平与当前主流技术相比已落后约 20 年。

现代芯片的制造过程类似于建造一座复杂的多层建筑，包含多个层级、不同类型的模块以及高度复杂的通信网络。这一过程通常需要数以万计的步骤和数百种专用工具，因此生产成本极高。Atum Works 提出的解决方案是通过一款自主研发的纳米级 3D 打印机，在晶圆级别材料上以 100 纳米的分辨率打印多材料三维结构。

与传统的平面光刻技术不同，Atum Works 的技术能够在三维空间中精准地将材料沉积到指定位置。这种创新方法不仅可以实现集成电路的制造，还能在一个连续流程中形成互连等复杂结构，从而有望提升生产良率并降低整体成本。

当前的 EUV 光刻技术已经能够实现约 13 纳米的分辨率，而一些增强工具甚至可以将精度提升至1到2纳米。此外，现代刻蚀技术在垂直方向上的精度也达到了亚10纳米水平。相比之下，Atum Works 的100纳米分辨率技术更适用于 2003 至 2005 年间所采用的90至110纳米工艺节点。

尽管如此，Atum Works的纳米级 3D 打印技术并不完全适用于高性能处理器的制造，但是在封装、光子学、互连结构、传感器以及非逻辑元件等领域展现出了广阔的应用前景。在这些领域中，复杂的三维设计需求可能比对极小特征尺寸的要求更为重要。

目前，Atum Works 正与潜在客户进行深入合作洽谈，并计划在今年内交付首批产品。其中有一家知名科技公司已与其签署合作开发意向书，成为其早期合作伙伴之一。这表明该技术在未来可能逐步扩展到更多应用场景中。

众所周知，制造芯片的难度非常大。此前，英伟达的创始人黄仁勋曾表示，先进的芯片制造需要超过1000个步骤，生产出尺寸与生物分子相当的特征。每一步都必须近乎完美，才能产生功能性的输出。

若将3D打印应用于芯片制造则会带来许多好处。首先是3D打印无需开模，省去了昂贵的前期成本，并且可以根据每个芯片的机构，灵活地进行加工和打印。其次，3D 打印技术可以减少芯片加工过程中的步骤，包括光刻、刻蚀、抛光、沉积等，从而节省了大量设备的成本，以及各设备之间的兼容性和配合问题。

但想要实现上述目标，目前还存在很多挑战。

首先，就是3D打印精度不够高。3D 打印一般需要把材料加热到融化，然后再把融化了的材料喷射到目标位置，等到材料降温后重新凝固定型成我们想要的形状。在降温固化的这段时间里，融化的材料是可以流动的，有些材料还没有来得及固定就流到其他地方，偏离了目标位置。

其次是材料问题。半导体是一种比较复杂的复合材料，其复杂性意味着它可以在不同的条件下，呈现出来不同的电学特性。此前的3D打印设备虽然加工精度已经可以达到纳米级，但一般情况下只能打印某一种特定的材料。

值得注意的是，此前清华大学化学系的李景虹院士团队联合和精仪系孙洪波教授团队，针对材料问题，开发了无需聚合物模板的无机材料纳米级精度3D打印新方法，首次用纳米晶体材料实现了纳米级的精密3D打印。

该研究以胶体纳米晶体溶液为相应无机材料的原料“墨水”，设计了基于光生氮宾自由基的小分子交联剂，利用飞秒激光引发纳米晶体表面配体的光交联反应使纳米晶体间形成稳定的共价键连接，实现了普适性、高纯度（无机组分质量分数大于90%）、高精度（突破光学衍射极限，分辨率可达150纳米）的无机材料3D打印。