项目团队成员正在操控制造“纳米标尺”的核心装置
在以集成电路为代表的先进纳米制造产业中，材料与器件的尺寸、间距、夹角等，早已进入纳米尺度。对制造者而言，能否把这些极其细微的结构测准，直接关系到后续工艺能否顺利推进，产品质量是否稳定可靠。
测得准，当然离不开精密的标尺，可当测量对象小到纳米、逼近极限，有什么方法来确保“尺子”的精度？
由同济大学牵头完成的“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，满足了这一迫切需求。通过20多年攻关，团队巧妙利用了原子量子跃迁的稳定特性，打造出皮米精确度的精密“标尺”，制造出一系列纳米级长度和角度国家标准物质，为集成电路等先进纳米制造的发展提供了有力支撑。7月8日，该项目荣获2025年度国家科技进步奖一等奖。
锚定自然常数，“长”出精密刻度
尺子的精度在于刻度，传统尺子的刻线往往靠人工划线或机械加工形成。当测量尺度进入纳米级，哪怕极微小的加工误差、环境扰动，都可能影响刻线的精度。
由同济大学牵头，联合上海御微半导体技术有限公司、中国计量科学研究院、桂林电子科技大学、上海市计量测试技术研究院组成的团队，探索出一条有别于传统“造尺”技术的创新路线。简单说，就是借助量子的物理规律，让原子在光场引导下“列队”，排出间距高度一致的纳米刻度。
项目团队以铬原子量子跃迁波长（一个物理常数）为锚点，利用光频梳将两束激光的波长锁定，让它们相向而行。当光束在空间中交汇叠加，自然就形成了一列周期恒定的驻波——某种意义上，就像一排“斑马线”，这就是该项技术的关键词“量子化光晶格”。
基于量子化光晶格常数的纳米标尺高精度制造技术示意图
按照物理学原理，量子化光晶格的格点周期（也就是“斑马线”条纹间距），恰好等于激光波长的一半。由于激光的波长已被“锚定”为铬原子量子化跃迁的波长，因此研究团队相当于用光造出了一副精密“模板”。
有了模板，“刻线”就有了依据——让被激光横向冷却、变得“安静”的铬原子穿过光晶格，经过光场引导，原子就能按“模板”的设计，在基底材料上沉积成为一排排整齐、规则的纳米刻线。由于这些刻度是按自然常数“长”出来的，能避免机器磨损等导致的漂移、偏差，具备极高的精准度和一致性。
贴近产业需求，形成底层支撑
对于先进制造而言，创新的关键是能结合场景需求，让技术不断落地，进入产业现场。
基于“量子化光晶格”的思路和方案，项目团队协力创新，研发了相应的超稳制造技术和装置，从而将技术原理“物化”为真正的纳米标尺。他们研发的系列光栅已获批5项国家一级标准物质，实测显示，其平均周期三年稳定性、样品间一致性均达到“皮米”级，而1皮米仅为1微米的百万分之一，甚至远远小于原子的大小。不仅如此，他们还在国内首次建立了纳米尺度下的“角度”标准物质。
值得一提的是，由于这把“纳米标尺”本身就具备复现“米”定义的功能，可避免传统计量因为“接力标定”而导致误差层层累积，可在产业现场一步校准、直接溯源，非常适用于“扁平化、嵌入式、小型化”的应用场景。
图为基于量子化光晶格常数制造纳米标尺的精密装置。
目前，该成果已作为核心技术之一，支撑我国成功研制出首批高端仪器装备计量测评装置。针对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，项目团队依托这一技术给出了特色方案，系列晶圆级标准片获批国家二级标准物质，在国产集成电路量检测设备企业实现应用，入选工信部第一批先进适用技术名单。
此外，围绕这把“标尺”，一个国家级产业计量平台也在逐步形成。2024年1月，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。
测得出，才能造得出；测得准，才能造得精。当前，国际计量学界正朝着“计量单位量子化”与“量值传递扁平化”的方向演进，这一恰好站在两大趋势交汇点的计量技术创新，有望继续作为核心底层能力，支撑我国先进制造业在更高水准参与全球竞争。
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