芯片制造的终极范式：原子级制造

文 | 半导体产业纵横

当前，芯片制造已迈入 3 纳米制程阶段，这相当于将 100 个原子紧密排列成一行。但传统光刻机如同用大刷子粉刷墙面，精度愈发难以满足芯片性能持续提升的需求。在此背景下，原子级制造技术应运而生，它仿佛为工程师配备了高倍显微镜与精准镊子，能够实现单个原子的操控与搭建，为芯片制造带来革命性突破。

在电子领域，原子级制造正引发一场深刻变革。以集成电路制造为例，随着电子产品向小型化、高性能化加速发展，对芯片性能的要求也水涨船高。原子级制造技术凭借对芯片内原子排列的精准控制，有效减少杂质与缺陷，大幅提升芯片性能。据行业测算，若能实现单原子特征芯片的量产，其尺寸与功耗将降至当前指标的千分之一以下，而计算能力则有望提升千倍以上，将从根本上重塑集成电路产业格局。

什么是原子级制造？

原子级制造被公认为制造业的未来发展方向，相较于传统制造技术，它不仅在尺寸上实现微缩突破，更在精度上达到前所未有的高度，被誉为制造技术的“终极形态”。

作为一项具有变革性意义的制造技术，原子级制造的核心目标是通过规模化、高精度的原子操控，将制造过程的可控维度精准推进至原子及原子基元层级。在这一过程中，制造精度不断向原子尺度逼近，逐步实现原子级结构的精准构筑，最终达成“按需逐原子创制” 的理想状态。借助该技术，产品性能能够突破现有瓶颈，无限逼近理论极限值。

从制造要素革新的角度深入分析，原子级制造将全面重塑传统制造的三大关键要素：

• 加工对象：实现从连续宏观材料向离散原子的根本性转变。这一转变让制造过程得以从微观层面精准构建材料基础单元，为材料性能的定制化开发提供了可能，例如可根据需求设计特定原子排列的新型功能材料。
• 加工精度：从传统尺度范畴跃升至原子尺度。这意味着制造过程能够对原子的排列方式、组合结构等进行精准调控，极大提升了制造精度与产品质量的可控性，使产品在微观结构上的误差控制在原子级别。
• 性能决定模式：打破传统“材料 + 结构” 决定产品性能的固有模式，建立 “原子调控直接决定产品性能” 的全新范式。这一突破为研发高性能、多功能的新型材料与产品开辟了全新路径，例如通过调整原子组成与排列，开发出具备超强导电性、超高强度的特殊材料。

原子级制造凭借其颠覆性潜力，已被中国工业和信息化部列为六大核心未来发展方向之一。其技术精髓在于对构成物质世界的基本单元—— 原子，实施前所未有的高精度操控。通过原子层面的精确去除、沉积、位移与组配等复杂操作，能够打造出具有特定原子排列结构的高性能产品。

从技术演进视角来看，原子级制造绝非简单的“制造尺度纳米化”，而是标志着人类制造活动从传统工业时代的 “塑造物质形态”，向量子科技时代的 “揭示物质本质、重塑物质结构” 的深刻跨越，是人类在微观世界探索与创造能力的巨大飞跃。其主要设计以下技术：

原子层沉积：原子层沉积技术（atomic layer deposition, ALD）是一种原子级逐层生长的薄膜制备技术。其核心优势在于沉积薄膜厚度的高度可控性、优异的均匀性与三维保形性，使其在半导体先进制程领域脱颖而出，成为功能薄膜沉积的关键核心技术。随着全球半导体产业持续扩张，市场竞争日益激烈，半导体设备制造产业正面临新一轮技术变革，以 ALD 设备为代表的原子级制造技术有望成为行业焦点赛道。据 SEMI 行业统计数据显示，当前 ALD 在半导体镀膜板块的市场份额约为 11%—13%，预计未来几年将保持高速增长态势，复合增长率高达 26.3%。

原子层刻蚀：原子层刻蚀（ALE）是一种基于“自限性反应”的纳米加工技术，其特点是以单原子层为单位，逐步去除材料表面，从而实现高精度、均匀的刻蚀过程。它与 ALD（原子层沉积）相对，一个是逐层沉积材料，一个是逐层去除材料。作为原子级制造的重要环节，原子层刻蚀技术能够实现材料的原子级精准去除，确保芯片制造过程中微观结构的精度控制，为先进制程芯片的生产提供关键支撑。

原子级精密定位技术：传统测量手段在多自由度（DOF）测量能力、抗干扰性能及结构紧凑性方面存在明显局限，难以满足原子级制造对高精度定位的迫切需求。在此背景下，光栅干涉仪凭借其优异的多自由度测量能力、对环境扰动的强鲁棒性以及小型化可集成优势，逐渐成为支撑精密制造与纳米计量的核心技术，对其展开深入研究与产业化应用的紧迫性和必要性日益凸显。

原子级抛光技术：该技术的核心目标是实现晶圆表面原子尺度的平整度与超低表面粗糙度，确保晶圆达到小于 0.1nm 的局部甚至全局平整度，同时最大程度抑制亚表层损伤与表面沾污。目前，主流的原子级抛光方法主要包括化学机械抛光（CMP）、等离子抛光与离子束抛光。尽管这些技术在理论上均具备实现原子级平整的巨大潜力，且在特定材料与应用场景中已展现出良好性能，但受限于抛光液配方优化、核心装备研发、工艺参数调试等多重 “卡点”，国内原子级抛光技术的规模化、产业化应用仍面临严峻挑战，亟待突破关键技术瓶颈。

政策频出：为原子级制造发展保驾护航

原子级制造作为极具技术挑战性、产业创新性、国际战略性与经济带动性的未来产业，当前正处于从理论创新与关键技术突破向产业化落地迈进的关键阶段。祝世宁、杨华勇、汪卫华、谭久彬、谢素原等多位院士共同呼吁，应紧抓战略机遇，打造原子级制造未来产业新赛道。院士们建议，我国需充分把握未来产业、终极制造与基础交叉的核心特点，加强产业创新顶层设计与精准政策支持，强化宏观指导、产业协同创新与生态体系建设，以原子级制造科技创新开辟未来制造新赛道，加速技术规模化产业进程，推动科技创新与产业创新深度融合，打造高价值、高可控、具有国际引领力的原子级制造未来产业。

从政策实践来看，我国对原子级制造的支持力度持续加大，政策体系逐步完善：

• 2016 年，国家重点研发计划启动 “纳米科技” 专项，将原子尺度的材料设计与操控纳入重点研究范畴，为原子级制造技术研发奠定基础。
• 2018 年，南京市与南京大学携手共建国内首个原子制造研究中心，搭建起产学研协同创新平台。期间，宋凤麒教授担任某国家级课题组负责人，带领团队攻克多个技术难关，多次迭代原子级制造装备，并于 2019 年大幅提升加工效率，实现几分钟内完成 1 英寸硅晶圆的原子簇颗粒制备（可用于传感器制造），该装备成功入选国家 “十三五” 科技创新成就展。
• 2024 年，原子级制造政策推进步入快车道：9 月 20 日，2024 原子级制造创新发展座谈会召开，重点围绕《原子级制造创新发展实施意见（2025—2030 年）》的内容科学性与可实施性展开深入研讨；11 月 23 日，第一届原子级制造产业发展论坛举办，由工业和信息化部指导，近百家高校、科研院所与企业共同发起组建的 “原子级制造创新发展联盟” 正式揭牌，标志着产业协同创新体系初步形成；12 月 4 日，在 2024 装备制造业发展大会上，工信部相关负责人明确表示，将推动科技创新与产业创新深度融合，加快培育发展原子级制造产业；12 月 26 日 —27 日，全国工业和信息化工作会议提出，将制定出台原子级制造等领域创新发展政策，进一步完善政策保障体系。
• 2025 年，政策支持力度持续加码。9 月 2 日，工信部、国家市场监督管理总局联合印发《电子信息制造业 2025—2030 年稳增长行动方案》，首次将 “原子级制造” 写入国家部委级正式行动方案，明确提出 “支持全固态电池、原子级制造等前沿技术方向基础研究”，标志着原子级制造的战略地位得到空前提升。

一系列政策与措施表明，我国正通过顶层设计与政策引导，系统性推动原子级制造技术发展，加强国家制造业创新中心建设，旨在提升我国制造业整体水平与国际核心竞争力。

中国企业加速布局，挑战与机遇并存

在政策支持与市场需求的双重驱动下，国内企业已开始积极布局原子级制造领域，部分企业在核心技术与产业化应用方面取得突破。

作为 ALD 技术产业化的核心推动者，微导纳米专注于 ALD 技术在半导体、泛半导体、新能源、新材料等领域的应用落地。目前，该公司已推出 iTomic HiK、iTomic MW、iTomic PE 等多个以 ALD 技术为核心的系列产品，产品覆盖逻辑芯片、存储芯片、先进封装、化合物半导体等诸多细分应用领域，并与国内多家主流厂商建立深度合作关系。经行业验证，其多项设备关键指标已达到国际先进水平。

清华大学路新春教授聚焦原子级制造产业化实践，现任华海清科股份有限公司董事长兼首席科学家。其带领团队研发的国产化学机械抛光（CMP）设备，已成功应用于高端芯片制造，抛光精度达到 0.1 纳米，填补了国内高端抛光装备的技术空白。

尽管我国在原子级制造领域已取得阶段性成果，但仍面临诸多严峻挑战。未来需要重点攻关原子级设计软件、自组装工艺、原位检测技术等共性难题，并建立覆盖材料、装备、产品的全链条标准。