国家科技进步一等奖：攻克纳米计量难题，为纳米制造铸“精准标尺”

7月8日，精准标尺在2025年度国家科学技术奖励大会上，国家攻克由同济大学牵头完成的科技《量子化光晶格常数的纳米计量关键技术及集成电路应用》项目荣获国家科学技术进步奖一等奖。历经20余年的进步计量技术攻关，项目团队成功研制出一系列纳米级长度和角度国家一级标准物质，等奖为集成电路等高端纳米制造领域提供了关键的纳米难题校准与标定“精准标尺”。

在先进制造业中，为纳“测得出，米制才能造得出；测得准，造铸才能造得精”是精准标尺行业共识。纳米计量作为实现纳米制造高精度的国家攻克前提与保障，其重要性不言而喻。科技项目团队紧抓国际单位制（SI）量子化变革的进步计量历史机遇，由程鑫彬教授带领团队发明了量子化光晶格常数的等奖纳米计量技术。该技术有效缩短了纳米计量传递链，纳米难题提升了量值传递的扁平化水平，从而更直接、高效地解决产业界的实际痛点。

量子化光晶格常数嵌入的光栅干涉型纳米位移传感器。（李茂君 摄影）

【让“冷原子”精准有序排列】

如何制造一把精度达到皮米（千分之一纳米）级别的“量子化纳米标尺”？

“一把精准的量子化纳米标尺，其刻度归根结底由原子构成。”项目团队指出，原子在固定位置上的排列整齐度，直接决定了刻度的精准度，进而影响纳米标尺的准确性。

然而，如何让亿万个原子准确、均匀且一致地排列在量子化常数的固定位置上，曾是巨大的技术挑战。

基于量子化光晶格常数的纳米标尺高精度制造技术。（来源：受访者供图）

对此，项目团队创新性地采用了“量子化光晶格”技术。所谓“量子化”，源于铬原子在真空中的量子跃迁波长——这是一种天然的量子化纳米常数。团队利用光频梳将激光锁定在该量子化波长上，两束相向而行的激光在空间中叠加，形成明暗相间、周期恒定的驻波，即“量子化光晶格”。这宛如一副用光铸成的“模具”，其格点周期（即晶格常数）恰好等于量子化激光波长的一半，并与铬原子的量子化跃迁波长这一自然常数牢牢“锁定”。

随后，经过激光横向冷却而处于“安静”状态的铬“冷原子”穿过光晶格，被光场逐一引导并落位于格点之上，在基底上生长出一排排整齐的刻线。这些刻度并非机械切削而成，而是原子依据自然界常数这张“图纸”自行“站”出来的。由于机器存在磨损和漂移，而自然界常数恒定不变，因此这一刻度天然具备精准性和一致性，即俗称的“自来准”。

基于量子化光晶格常数制造纳米标尺的精密装置。（李茂君 摄影）

基于上述原理，项目团队创建了将量子化光晶格物化为直接溯源光栅标准（纳米标尺）的超稳制造技术及装置，相关系列光栅获批5项国家一级标准物质。

这一“纳米标尺”究竟有多精准？项目团队介绍，当前集成电路产业主流的纳米计量需求为0.1纳米级精度，而该“纳米标尺”在平均长度和角度测量上，均可达到0.001纳米（1皮米）量级或0.001°量级的精度。这一精度相当于原子晶面间距的百分之一级别，为集成电路等先进纳米制造的校准与标定提供了强有力的支撑。

项目团队成员在操作精密仪器。（李茂君 摄影）

【一步直达纳米制造业现场】

传统的纳米计量为产业提供校准和标定服务时，往往需要经历多级的量值传递，如同进行一场“接力赛”。每经过一次“接力”，累积误差便会增加，影响最终结果的准确性。

而由量子化光晶格常数铸成的“纳米标尺”，具备复现“米”定义的功能，是一种标准物质。它无需层层“接力”，即可实现产业现场的一步校准、直接溯源。这种特性使其更适用于对“扁平化、嵌入式、小型化”要求较高的现场应用场景。

团队成功研制晶圆级标准片并获批多项国家二级标准物质。（李茂君 摄影）

作为核心技术之一，项目团队成功研制了我国首批高端仪器装备计量测评装置。团队利用这一理念，为解决集成电路量检测设备所需晶圆级标准片的制造、定值和应用难题提供了特色方案，真正实现了“用自己的尺子量自己的产品”。目前，系列晶圆级标准片已获批国家二级标准物质，并在国产集成电路量检测设备企业中实现应用，于2025年入选工信部第一批先进适用技术名单。

经国家市场监督管理总局批准，以同济大学为主体的“国家集成电路微纳检测设备产业计量测试中心（上海）”正式启动筹建，成为全国集成电路领域首批获批筹建的国家级产业计量测试中心之一；研究团队也获评首批“国家级计量创新团队”。

项目团队成员。（李茂君 摄影）

这一纳米计量的创新方法，本质上是构建了一套从量子物理底层出发、支撑国家计量体系与先进纳米制造前线的“中国尺”方案。其战略意义远超技术本身，标志着我国在高端计量领域取得了突破性进展。

原标题：《国家科技进步一等奖：攻克纳米计量难题，为纳米制造铸“精准标尺”》

(责任编辑：探索)