芯片制造的終極范式：原子級(jí)制造

文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

當(dāng)前，芯片制造已邁入 3 納米制程階段，這相當(dāng)于將 100 個(gè)原子緊密排列成一行。但傳統(tǒng)光刻機(jī)如同用大刷子粉刷墻面，精度愈發(fā)難以滿足芯片性能持續(xù)提升的需求。在此背景下，原子級(jí)制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它仿佛為工程師配備了高倍顯微鏡與精準(zhǔn)鑷子，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)原子的操控與搭建，為芯片制造帶來(lái)革命性突破。

在電子領(lǐng)域，原子級(jí)制造正引發(fā)一場(chǎng)深刻變革。以集成電路制造為例，隨著電子產(chǎn)品向小型化、高性能化加速發(fā)展，對(duì)芯片性能的要求也水漲船高。原子級(jí)制造技術(shù)憑借對(duì)芯片內(nèi)原子排列的精準(zhǔn)控制，有效減少雜質(zhì)與缺陷，大幅提升芯片性能。據(jù)行業(yè)測(cè)算，若能實(shí)現(xiàn)單原子特征芯片的量產(chǎn)，其尺寸與功耗將降至當(dāng)前指標(biāo)的千分之一以下，而計(jì)算能力則有望提升千倍以上，將從根本上重塑集成電路產(chǎn)業(yè)格局。

什么是原子級(jí)制造？

原子級(jí)制造被公認(rèn)為制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)，它不僅在尺寸上實(shí)現(xiàn)微縮突破，更在精度上達(dá)到前所未有的高度，被譽(yù)為制造技術(shù)的“終極形態(tài)”。

作為一項(xiàng)具有變革性意義的制造技術(shù)，原子級(jí)制造的核心目標(biāo)是通過(guò)規(guī)模化、高精度的原子操控，將制造過(guò)程的可控維度精準(zhǔn)推進(jìn)至原子及原子基元層級(jí)。在這一過(guò)程中，制造精度不斷向原子尺度逼近，逐步實(shí)現(xiàn)原子級(jí)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑，最終達(dá)成“按需逐原子創(chuàng)制” 的理想狀態(tài)。借助該技術(shù)，產(chǎn)品性能能夠突破現(xiàn)有瓶頸，無(wú)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(jí)制造將全面重塑傳統(tǒng)制造的三大關(guān)鍵要素：

• 加工對(duì)象：實(shí)現(xiàn)從連續(xù)宏觀材料向離散原子的根本性轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變讓制造過(guò)程得以從微觀層面精準(zhǔn)構(gòu)建材料基礎(chǔ)單元，為材料性能的定制化開(kāi)發(fā)提供了可能，例如可根據(jù)需求設(shè)計(jì)特定原子排列的新型功能材料。
• 加工精度：從傳統(tǒng)尺度范疇躍升至原子尺度。這意味著制造過(guò)程能夠?qū)υ拥呐帕蟹绞健⒔M合結(jié)構(gòu)等進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，極大提升了制造精度與產(chǎn)品質(zhì)量的可控性，使產(chǎn)品在微觀結(jié)構(gòu)上的誤差控制在原子級(jí)別。
• 性能決定模式：打破傳統(tǒng)“材料 + 結(jié)構(gòu)” 決定產(chǎn)品性能的固有模式，建立 “原子調(diào)控直接決定產(chǎn)品性能” 的全新范式。這一突破為研發(fā)高性能、多功能的新型材料與產(chǎn)品開(kāi)辟了全新路徑，例如通過(guò)調(diào)整原子組成與排列，開(kāi)發(fā)出具備超強(qiáng)導(dǎo)電性、超高強(qiáng)度的特殊材料。

原子級(jí)制造憑借其顛覆性潛力，已被中國(guó)工業(yè)和信息化部列為六大核心未來(lái)發(fā)展方向之一。其技術(shù)精髓在于對(duì)構(gòu)成物質(zhì)世界的基本單元—— 原子，實(shí)施前所未有的高精度操控。通過(guò)原子層面的精確去除、沉積、位移與組配等復(fù)雜操作，能夠打造出具有特定原子排列結(jié)構(gòu)的高性能產(chǎn)品。

從技術(shù)演進(jìn)視角來(lái)看，原子級(jí)制造絕非簡(jiǎn)單的“制造尺度納米化”，而是標(biāo)志著人類制造活動(dòng)從傳統(tǒng)工業(yè)時(shí)代的 “塑造物質(zhì)形態(tài)”，向量子科技時(shí)代的 “揭示物質(zhì)本質(zhì)、重塑物質(zhì)結(jié)構(gòu)” 的深刻跨越，是人類在微觀世界探索與創(chuàng)造能力的巨大飛躍。其主要設(shè)計(jì)以下技術(shù)：

原子層沉積：原子層沉積技術(shù)（atomic layer deposition, ALD）是一種原子級(jí)逐層生長(zhǎng)的薄膜制備技術(shù)。其核心優(yōu)勢(shì)在于沉積薄膜厚度的高度可控性、優(yōu)異的均勻性與三維保形性，使其在半導(dǎo)體先進(jìn)制程領(lǐng)域脫穎而出，成為功能薄膜沉積的關(guān)鍵核心技術(shù)。隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)擴(kuò)張，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，半導(dǎo)體設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)正面臨新一輪技術(shù)變革，以 ALD 設(shè)備為代表的原子級(jí)制造技術(shù)有望成為行業(yè)焦點(diǎn)賽道。據(jù) SEMI 行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前 ALD 在半導(dǎo)體鍍膜板塊的市場(chǎng)份額約為 11%—13%，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 26.3%。

原子層刻蝕：原子層刻蝕（ALE）是一種基于“自限性反應(yīng)”的納米加工技術(shù)，其特點(diǎn)是以單原子層為單位，逐步去除材料表面，從而實(shí)現(xiàn)高精度、均勻的刻蝕過(guò)程。它與 ALD（原子層沉積）相對(duì)，一個(gè)是逐層沉積材料，一個(gè)是逐層去除材料。作為原子級(jí)制造的重要環(huán)節(jié)，原子層刻蝕技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)材料的原子級(jí)精準(zhǔn)去除，確保芯片制造過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的精度控制，為先進(jìn)制程芯片的生產(chǎn)提供關(guān)鍵支撐。

原子級(jí)精密定位技術(shù)：傳統(tǒng)測(cè)量手段在多自由度（DOF）測(cè)量能力、抗干擾性能及結(jié)構(gòu)緊湊性方面存在明顯局限，難以滿足原子級(jí)制造對(duì)高精度定位的迫切需求。在此背景下，光柵干涉儀憑借其優(yōu)異的多自由度測(cè)量能力、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的強(qiáng)魯棒性以及小型化可集成優(yōu)勢(shì)，逐漸成為支撐精密制造與納米計(jì)量的核心技術(shù)，對(duì)其展開(kāi)深入研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的緊迫性和必要性日益凸顯。

原子級(jí)拋光技術(shù)：該技術(shù)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)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(dá)到小于 0.1nm 的局部甚至全局平整度，同時(shí)最大程度抑制亞表層損傷與表面沾污。目前，主流的原子級(jí)拋光方法主要包括化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、等離子拋光與離子束拋光。盡管這些技術(shù)在理論上均具備實(shí)現(xiàn)原子級(jí)平整的巨大潛力，且在特定材料與應(yīng)用場(chǎng)景中已展現(xiàn)出良好性能，但受限于拋光液配方優(yōu)化、核心裝備研發(fā)、工藝參數(shù)調(diào)試等多重 “卡點(diǎn)”，國(guó)內(nèi)原子級(jí)拋光技術(shù)的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟待突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

政策頻出：為原子級(jí)制造發(fā)展保駕護(hù)航

原子級(jí)制造作為極具技術(shù)挑戰(zhàn)性、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新性、國(guó)際戰(zhàn)略性與經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)性的未來(lái)產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前正處于從理論創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)突破向產(chǎn)業(yè)化落地邁進(jìn)的關(guān)鍵階段。祝世寧、楊華勇、汪衛(wèi)華、譚久彬、謝素原等多位院士共同呼吁，應(yīng)緊抓戰(zhàn)略機(jī)遇，打造原子級(jí)制造未來(lái)產(chǎn)業(yè)新賽道。院士們建議，我國(guó)需充分把握未來(lái)產(chǎn)業(yè)、終極制造與基礎(chǔ)交叉的核心特點(diǎn)，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新頂層設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)政策支持，強(qiáng)化宏觀指導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新與生態(tài)體系建設(shè)，以原子級(jí)制造科技創(chuàng)新開(kāi)辟未來(lái)制造新賽道，加速技術(shù)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)進(jìn)程，推動(dòng)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，打造高價(jià)值、高可控、具有國(guó)際引領(lǐng)力的原子級(jí)制造未來(lái)產(chǎn)業(yè)。

從政策實(shí)踐來(lái)看，我國(guó)對(duì)原子級(jí)制造的支持力度持續(xù)加大，政策體系逐步完善：

• 2016 年，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng) “納米科技” 專項(xiàng)，將原子尺度的材料設(shè)計(jì)與操控納入重點(diǎn)研究范疇，為原子級(jí)制造技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
• 2018 年，南京市與南京大學(xué)攜手共建國(guó)內(nèi)首個(gè)原子制造研究中心，搭建起產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)。期間，宋鳳麒教授擔(dān)任某國(guó)家級(jí)課題組負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克多個(gè)技術(shù)難關(guān)，多次迭代原子級(jí)制造裝備，并于 2019 年大幅提升加工效率，實(shí)現(xiàn)幾分鐘內(nèi)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(guó)家 “十三五” 科技創(chuàng)新成就展。
• 2024 年，原子級(jí)制造政策推進(jìn)步入快車道：9 月 20 日，2024 原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)召開(kāi)，重點(diǎn)圍繞《原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施意見(jiàn)（2025—2030 年）》的內(nèi)容科學(xué)性與可實(shí)施性展開(kāi)深入研討；11 月 23 日，第一屆原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇舉辦，由工業(yè)和信息化部指導(dǎo)，近百家高校、科研院所與企業(yè)共同發(fā)起組建的 “原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟” 正式揭牌，標(biāo)志著產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新體系初步形成；12 月 4 日，在 2024 裝備制造業(yè)發(fā)展大會(huì)上，工信部相關(guān)負(fù)責(zé)人明確表示，將推動(dòng)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快培育發(fā)展原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)；12 月 26 日 —27 日，全國(guó)工業(yè)和信息化工作會(huì)議提出，將制定出臺(tái)原子級(jí)制造等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展政策，進(jìn)一步完善政策保障體系。
• 2025 年，政策支持力度持續(xù)加碼。9 月 2 日，工信部、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)《電子信息制造業(yè) 2025—2030 年穩(wěn)增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，首次將 “原子級(jí)制造” 寫入國(guó)家部委級(jí)正式行動(dòng)方案，明確提出 “支持全固態(tài)電池、原子級(jí)制造等前沿技術(shù)方向基礎(chǔ)研究”，標(biāo)志著原子級(jí)制造的戰(zhàn)略地位得到空前提升。

一系列政策與措施表明，我國(guó)正通過(guò)頂層設(shè)計(jì)與政策引導(dǎo)，系統(tǒng)性推動(dòng)原子級(jí)制造技術(shù)發(fā)展，加強(qiáng)國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)，旨在提升我國(guó)制造業(yè)整體水平與國(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力。

中國(guó)企業(yè)加速布局，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

在政策支持與市場(chǎng)需求的雙重驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)企業(yè)已開(kāi)始積極布局原子級(jí)制造領(lǐng)域，部分企業(yè)在核心技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面取得突破。

作為 ALD 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的核心推動(dòng)者，微導(dǎo)納米專注于 ALD 技術(shù)在半導(dǎo)體、泛半導(dǎo)體、新能源、新材料等領(lǐng)域的應(yīng)用落地。目前，該公司已推出 iTomic HiK、iTomic MW、iTomic PE 等多個(gè)以 ALD 技術(shù)為核心的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品覆蓋邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片、先進(jìn)封裝、化合物半導(dǎo)體等諸多細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域，并與國(guó)內(nèi)多家主流廠商建立深度合作關(guān)系。經(jīng)行業(yè)驗(yàn)證，其多項(xiàng)設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

清華大學(xué)路新春教授聚焦原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，現(xiàn)任華海清科股份有限公司董事長(zhǎng)兼首席科學(xué)家。其帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）設(shè)備，已成功應(yīng)用于高端芯片制造，拋光精度達(dá)到 0.1 納米，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高端拋光裝備的技術(shù)空白。

盡管我國(guó)在原子級(jí)制造領(lǐng)域已取得階段性成果，但仍面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來(lái)需要重點(diǎn)攻關(guān)原子級(jí)設(shè)計(jì)軟件、自組裝工藝、原位檢測(cè)技術(shù)等共性難題，并建立覆蓋材料、裝備、產(chǎn)品的全鏈條標(biāo)準(zhǔn)。