芯片制造的終極范式：原子級制造

文 | 半導體產業縱橫

當前，芯片制造已邁入 3 納米制程階段，這相當于將 100 個原子緊密排列成一行。但傳統光刻機如同用大刷子粉刷墻面，精度愈發難以滿足芯片性能持續提升的需求。在此背景下，原子級制造技術應運而生，它仿佛為工程師配備了高倍顯微鏡與精準鑷子，能夠實現單個原子的操控與搭建，為芯片制造帶來革命性突破。

在電子領域，原子級制造正引發一場深刻變革。以集成電路制造為例，隨著電子產品向小型化、高性能化加速發展，對芯片性能的要求也水漲船高。原子級制造技術憑借對芯片內原子排列的精準控制，有效減少雜質與缺陷，大幅提升芯片性能。據行業測算，若能實現單原子特征芯片的量產，其尺寸與功耗將降至當前指標的千分之一以下，而計算能力則有望提升千倍以上，將從根本上重塑集成電路產業格局。

什么是原子級制造？

原子級制造被公認為制造業的未來發展方向，相較于傳統制造技術，它不僅在尺寸上實現微縮突破，更在精度上達到前所未有的高度，被譽為制造技術的“終極形態”。

作為一項具有變革性意義的制造技術，原子級制造的核心目標是通過規模化、高精度的原子操控，將制造過程的可控維度精準推進至原子及原子基元層級。在這一過程中，制造精度不斷向原子尺度逼近，逐步實現原子級結構的精準構筑，最終達成“按需逐原子創制” 的理想狀態。借助該技術，產品性能能夠突破現有瓶頸，無限逼近理論極限值。

從制造要素革新的角度深入分析，原子級制造將全面重塑傳統制造的三大關鍵要素：

• 加工對象：實現從連續宏觀材料向離散原子的根本性轉變。這一轉變讓制造過程得以從微觀層面精準構建材料基礎單元，為材料性能的定制化開發提供了可能，例如可根據需求設計特定原子排列的新型功能材料。
• 加工精度：從傳統尺度范疇躍升至原子尺度。這意味著制造過程能夠對原子的排列方式、組合結構等進行精準調控，極大提升了制造精度與產品質量的可控性，使產品在微觀結構上的誤差控制在原子級別。
• 性能決定模式：打破傳統“材料 + 結構” 決定產品性能的固有模式，建立 “原子調控直接決定產品性能” 的全新范式。這一突破為研發高性能、多功能的新型材料與產品開辟了全新路徑，例如通過調整原子組成與排列，開發出具備超強導電性、超高強度的特殊材料。

原子級制造憑借其顛覆性潛力，已被中國工業和信息化部列為六大核心未來發展方向之一。其技術精髓在于對構成物質世界的基本單元—— 原子，實施前所未有的高精度操控。通過原子層面的精確去除、沉積、位移與組配等復雜操作，能夠打造出具有特定原子排列結構的高性能產品。

從技術演進視角來看，原子級制造絕非簡單的“制造尺度納米化”，而是標志著人類制造活動從傳統工業時代的 “塑造物質形態”，向量子科技時代的 “揭示物質本質、重塑物質結構” 的深刻跨越，是人類在微觀世界探索與創造能力的巨大飛躍。其主要設計以下技術：

原子層沉積：原子層沉積技術（atomic layer deposition, ALD）是一種原子級逐層生長的薄膜制備技術。其核心優勢在于沉積薄膜厚度的高度可控性、優異的均勻性與三維保形性，使其在半導體先進制程領域脫穎而出，成為功能薄膜沉積的關鍵核心技術。隨著全球半導體產業持續擴張，市場競爭日益激烈，半導體設備制造產業正面臨新一輪技術變革，以 ALD 設備為代表的原子級制造技術有望成為行業焦點賽道。據 SEMI 行業統計數據顯示，當前 ALD 在半導體鍍膜板塊的市場份額約為 11%—13%，預計未來幾年將保持高速增長態勢，復合增長率高達 26.3%。

原子層刻蝕：原子層刻蝕（ALE）是一種基于“自限性反應”的納米加工技術，其特點是以單原子層為單位，逐步去除材料表面，從而實現高精度、均勻的刻蝕過程。它與 ALD（原子層沉積）相對，一個是逐層沉積材料，一個是逐層去除材料。作為原子級制造的重要環節，原子層刻蝕技術能夠實現材料的原子級精準去除，確保芯片制造過程中微觀結構的精度控制，為先進制程芯片的生產提供關鍵支撐。

原子級精密定位技術：傳統測量手段在多自由度（DOF）測量能力、抗干擾性能及結構緊湊性方面存在明顯局限，難以滿足原子級制造對高精度定位的迫切需求。在此背景下，光柵干涉儀憑借其優異的多自由度測量能力、對環境擾動的強魯棒性以及小型化可集成優勢，逐漸成為支撐精密制造與納米計量的核心技術，對其展開深入研究與產業化應用的緊迫性和必要性日益凸顯。

原子級拋光技術：該技術的核心目標是實現晶圓表面原子尺度的平整度與超低表面粗糙度，確保晶圓達到小于 0.1nm 的局部甚至全局平整度，同時最大程度抑制亞表層損傷與表面沾污。目前，主流的原子級拋光方法主要包括化學機械拋光（CMP）、等離子拋光與離子束拋光。盡管這些技術在理論上均具備實現原子級平整的巨大潛力，且在特定材料與應用場景中已展現出良好性能，但受限于拋光液配方優化、核心裝備研發、工藝參數調試等多重 “卡點”，國內原子級拋光技術的規模化、產業化應用仍面臨嚴峻挑戰，亟待突破關鍵技術瓶頸。

政策頻出：為原子級制造發展保駕護航

原子級制造作為極具技術挑戰性、產業創新性、國際戰略性與經濟帶動性的未來產業，當前正處于從理論創新與關鍵技術突破向產業化落地邁進的關鍵階段。祝世寧、楊華勇、汪衛華、譚久彬、謝素原等多位院士共同呼吁，應緊抓戰略機遇，打造原子級制造未來產業新賽道。院士們建議，我國需充分把握未來產業、終極制造與基礎交叉的核心特點，加強產業創新頂層設計與精準政策支持，強化宏觀指導、產業協同創新與生態體系建設，以原子級制造科技創新開辟未來制造新賽道，加速技術規模化產業進程，推動科技創新與產業創新深度融合，打造高價值、高可控、具有國際引領力的原子級制造未來產業。

從政策實踐來看，我國對原子級制造的支持力度持續加大，政策體系逐步完善：

• 2016 年，國家重點研發計劃啟動 “納米科技” 專項，將原子尺度的材料設計與操控納入重點研究范疇，為原子級制造技術研發奠定基礎。
• 2018 年，南京市與南京大學攜手共建國內首個原子制造研究中心，搭建起產學研協同創新平臺。期間，宋鳳麒教授擔任某國家級課題組負責人，帶領團隊攻克多個技術難關，多次迭代原子級制造裝備，并于 2019 年大幅提升加工效率，實現幾分鐘內完成 1 英寸硅晶圓的原子簇顆粒制備（可用于傳感器制造），該裝備成功入選國家 “十三五” 科技創新成就展。
• 2024 年，原子級制造政策推進步入快車道：9 月 20 日，2024 原子級制造創新發展座談會召開，重點圍繞《原子級制造創新發展實施意見（2025—2030 年）》的內容科學性與可實施性展開深入研討；11 月 23 日，第一屆原子級制造產業發展論壇舉辦，由工業和信息化部指導，近百家高校、科研院所與企業共同發起組建的 “原子級制造創新發展聯盟” 正式揭牌，標志著產業協同創新體系初步形成；12 月 4 日，在 2024 裝備制造業發展大會上，工信部相關負責人明確表示，將推動科技創新與產業創新深度融合，加快培育發展原子級制造產業；12 月 26 日 —27 日，全國工業和信息化工作會議提出，將制定出臺原子級制造等領域創新發展政策，進一步完善政策保障體系。
• 2025 年，政策支持力度持續加碼。9 月 2 日，工信部、國家市場監督管理總局聯合印發《電子信息制造業 2025—2030 年穩增長行動方案》，首次將 “原子級制造” 寫入國家部委級正式行動方案，明確提出 “支持全固態電池、原子級制造等前沿技術方向基礎研究”，標志著原子級制造的戰略地位得到空前提升。

一系列政策與措施表明，我國正通過頂層設計與政策引導，系統性推動原子級制造技術發展，加強國家制造業創新中心建設，旨在提升我國制造業整體水平與國際核心競爭力。

中國企業加速布局，挑戰與機遇并存

在政策支持與市場需求的雙重驅動下，國內企業已開始積極布局原子級制造領域，部分企業在核心技術與產業化應用方面取得突破。

作為 ALD 技術產業化的核心推動者，微導納米專注于 ALD 技術在半導體、泛半導體、新能源、新材料等領域的應用落地。目前，該公司已推出 iTomic HiK、iTomic MW、iTomic PE 等多個以 ALD 技術為核心的系列產品，產品覆蓋邏輯芯片、存儲芯片、先進封裝、化合物半導體等諸多細分應用領域，并與國內多家主流廠商建立深度合作關系。經行業驗證，其多項設備關鍵指標已達到國際先進水平。

清華大學路新春教授聚焦原子級制造產業化實踐，現任華海清科股份有限公司董事長兼首席科學家。其帶領團隊研發的國產化學機械拋光（CMP）設備，已成功應用于高端芯片制造，拋光精度達到 0.1 納米，填補了國內高端拋光裝備的技術空白。

盡管我國在原子級制造領域已取得階段性成果，但仍面臨諸多嚴峻挑戰。未來需要重點攻關原子級設計軟件、自組裝工藝、原位檢測技術等共性難題，并建立覆蓋材料、裝備、產品的全鏈條標準。