芯片制造的終極范式：原子級制造

文 | 半導體產(chǎn)業(yè)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(tǒng)光刻機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，原子級制造技術(shù)應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)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(lǐng)域，原子級制造正引發(fā)一場深刻變革。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，對芯片性能的要求也水漲船高。原子級制造技術(shù)憑借對芯片內(nèi)原子排列的精準控制，有效減少雜質(zhì)與缺陷，大幅提升芯片性能。據(jù)行業(yè)測算，若能實現(xiàn)單原子特征芯片的量產(chǎn)，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(chǎn)業(yè)格局。

什么是原子級制造？

原子級制造被公認為制造業(yè)的未來發(fā)展方向，相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)，它不僅在尺寸上實現(xiàn)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(shù)的“終極形態(tài)”。

作為一項具有變革性意義的制造技術(shù)，原子級制造的核心目標是通過規(guī)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(xiàn)原子級結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)筑，最終達成“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(tǒng)制造的三大關(guān)鍵要素：

• 加工對象：實現(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)變讓制造過程得以從微觀層面精準構(gòu)建材料基礎(chǔ)單元，為材料性能的定制化開發(fā)提供了可能，例如可根據(jù)需求設(shè)計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。這意味著制造過程能夠?qū)υ拥呐帕蟹绞健⒔M合結(jié)構(gòu)等進行精準調(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)品開辟了全新路徑，例如通過調(diào)整原子組成與排列，開發(fā)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(yè)和信息化部列為六大核心未來發(fā)展方向之一。其技術(shù)精髓在于對構(gòu)成物質(zhì)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(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(tǒng)工業(yè)時代的 “塑造物質(zhì)形態(tài)”，向量子科技時代的 “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）是一種原子級逐層生長的薄膜制備技術(shù)。其核心優(yōu)勢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，使其在半導體先進制程領(lǐng)域脫穎而出，成為功能薄膜沉積的關(guān)鍵核心技術(shù)。隨著全球半導體產(chǎn)業(yè)持續(xù)擴張，市場競爭日益激烈，半導體設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)正面臨新一輪技術(shù)變革，以 ALD 設(shè)備為代表的原子級制造技術(shù)有望成為行業(yè)焦點賽道。據(jù) SEMI 行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當前 ALD 在半導體鍍膜板塊的市場份額約為 11%—13%，預(yù)計未來幾年將保持高速增長態(tài)勢，復(fù)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(yīng)”的納米加工技術(shù)，其特點是以單原子層為單位，逐步去除材料表面，從而實現(xiàn)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(huán)節(jié)，原子層刻蝕技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)材料的原子級精準去除，確保芯片制造過程中微觀結(jié)構(gòu)的精度控制，為先進制程芯片的生產(chǎn)提供關(guān)鍵支撐。

原子級精密定位技術(shù)：傳統(tǒng)測量手段在多自由度（DOF）測量能力、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(yōu)異的多自由度測量能力、對環(huán)境擾動的強魯棒性以及小型化可集成優(yōu)勢，逐漸成為支撐精密制造與納米計量的核心技術(shù)，對其展開深入研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的緊迫性和必要性日益凸顯。

原子級拋光技術(shù)：該技術(shù)的核心目標是實現(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(shù)在理論上均具備實現(xiàn)原子級平整的巨大潛力，且在特定材料與應(yīng)用場景中已展現(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”，國內(nèi)原子級拋光技術(shù)的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)，亟待突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

政策頻出：為原子級制造發(fā)展保駕護航

原子級制造作為極具技術(shù)挑戰(zhàn)性、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新性、國際戰(zhàn)略性與經(jīng)濟帶動性的未來產(chǎn)業(yè)，當前正處于從理論創(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)略機遇，打造原子級制造未來產(chǎn)業(yè)新賽道。院士們建議，我國需充分把握未來產(chǎn)業(yè)、終極制造與基礎(chǔ)交叉的核心特點，加強產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新頂層設(shè)計與精準政策支持，強化宏觀指導、產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新與生態(tài)體系建設(shè)，以原子級制造科技創(chuàng)新開辟未來制造新賽道，加速技術(shù)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)進程，推動科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，打造高價值、高可控、具有國際引領(lǐng)力的原子級制造未來產(chǎn)業(yè)。

從政策實踐來看，我國對原子級制造的支持力度持續(xù)加大，政策體系逐步完善：

• 2016 年，國家重點研發(fā)計劃啟動 “納米科技” 專項，將原子尺度的材料設(shè)計與操控納入重點研究范疇，為原子級制造技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
• 2018 年，南京市與南京大學攜手共建國內(nèi)首個原子制造研究中心，搭建起產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺。期間，宋鳳麒教授擔任某國家級課題組負責人，帶領(lǐng)團隊攻克多個技術(shù)難關(guān)，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(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），該裝備成功入選國家 “十三五” 科技創(chuàng)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(chuàng)新發(fā)展座談會召開，重點圍繞《原子級制造創(chuàng)新發(fā)展實施意見（2025—2030 年）》的內(nèi)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(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇舉辦，由工業(yè)和信息化部指導，近百家高校、科研院所與企業(yè)共同發(fā)起組建的 “原子級制造創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟” 正式揭牌，標志著產(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)展大會上，工信部相關(guān)負責人明確表示，將推動科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快培育發(fā)展原子級制造產(chǎn)業(yè)；12 月 26 日 —27 日，全國工業(yè)和信息化工作會議提出，將制定出臺原子級制造等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展政策，進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、國家市場監(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(tài)電池、原子級制造等前沿技術(shù)方向基礎(chǔ)研究”，標志著原子級制造的戰(zhàn)略地位得到空前提升。

一系列政策與措施表明，我國正通過頂層設(shè)計與政策引導，系統(tǒng)性推動原子級制造技術(shù)發(fā)展，加強國家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)，旨在提升我國制造業(yè)整體水平與國際核心競爭力。

中國企業(yè)加速布局，挑戰(zhàn)與機遇并存

在政策支持與市場需求的雙重驅(qū)動下，國內(nèi)企業(yè)已開始積極布局原子級制造領(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)化的核心推動者，微導納米專注于 ALD 技術(shù)在半導體、泛半導體、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、存儲芯片、先進封裝、化合物半導體等諸多細分應(yīng)用領(lǐng)域，并與國內(nèi)多家主流廠商建立深度合作關(guān)系。經(jīng)行業(yè)驗證，其多項設(shè)備關(guān)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(chǎn)業(yè)化實踐，現(xiàn)任華海清科股份有限公司董事長兼首席科學家。其帶領(lǐng)團隊研發(fā)的國產(chǎn)化學機械拋光（CMP）設(shè)備，已成功應(yīng)用于高端芯片制造，拋光精度達到 0.1 納米，填補了國內(nèi)高端拋光裝備的技術(shù)空白。

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