芯片制造新方向：原子级制造
目前，芯片制造已经进入3纳米制程阶段，这相当于把100个原子紧密排成一行。然而，传统光刻机就像用大刷子粉刷墙面，精度越来越难以满足芯片性能不断提升的需求。在这种情况下，原子级制造技术出现了，它就像是给工程师配备了高倍显微镜和精准镊子，能够操控和搭建单个原子，给芯片制造带来了革命性的突破。
在电子领域，原子级制造正在引发一场深刻的变革。以集成电路制造为例，随着电子产品朝着小型化、高性能化快速发展，对芯片性能的要求也越来越高。原子级制造技术可以精准控制芯片内原子的排列，有效减少杂质和缺陷，大幅提升芯片性能。据行业测算，如果能实现单原子特征芯片的量产，其尺寸和功耗将降低到当前指标的千分之一以下，而计算能力有望提升千倍以上，这将从根本上重塑集成电路产业格局。
什么是原子级制造？
原子级制造被认为是制造业未来的发展方向，和传统制造技术相比，它不仅在尺寸上实现了微缩突破，在精度上也达到了前所未有的高度，被称为制造技术的“终极形态”。
作为一项具有变革意义的制造技术，原子级制造的核心目标是通过规模化、高精度的原子操控，把制造过程的可控维度精确推进到原子及原子基元层级。在这个过程中，制造精度不断向原子尺度靠近，逐步实现原子级结构的精准构建，最终达到“按需逐原子创制”的理想状态。借助这项技术，产品性能能够突破现有的瓶颈，无限接近理论极限值。
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：从连续宏观材料转变为离散原子。这一转变让制造过程可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，比如可以根据需求设计特定原子排列的新型功能材料。
加工精度：从传统尺度范畴提升到原子尺度。这意味着制造过程能够精准调控原子的排列方式、组合结构等，大大提高了制造精度和产品质量的可控性，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、多功能的新型材料和产品开辟了新路径，例如通过调整原子组成和排列，开发出具有超强导电性、超高强度的特殊材料。
原子级制造的关键技术
原子级制造因其颠覆性潜力，被中国工业和信息化部列为六大核心未来发展方向之一。其技术核心是对构成物质世界的基本单元——原子，进行前所未有的高精度操控。通过原子层面的精确去除、沉积、位移和组配等复杂操作，可以打造出具有特定原子排列结构的高性能产品。
从技术演进的角度看，原子级制造不是简单的“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和创造能力的巨大飞跃。其主要涉及以下技术：
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。它的核心优势是沉积薄膜厚度的高度可控性、优异的均匀性和三维保形性，使其在半导体先进制程领域表现出色，成为功能薄膜沉积的关键核心技术。随着全球半导体产业的持续扩张，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，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。它和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、抗干扰性能和结构紧凑性方面存在明显不足，难以满足原子级制造对高精度定位的迫切需求。在这种情况下，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和纳米计量的核心技术，对其进行深入研究和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和超低表面粗糙度，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和表面沾污。目前，主流的原子级抛光方法主要有化学机械抛光（CMP）、等离子抛光和离子束抛光。尽管这些技术在理论上都有实现原子级平整的潜力，且在特定材料和应用场景中已经表现出良好性能，但受限于抛光液配方优化、核心装备研发、工艺参数调试等诸多难题，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，急需突破关键技术瓶颈。
政策频出：为原子级制造发展保驾护航
原子级制造是一项具有技术挑战性、产业创新性、国际战略性和经济带动性的未来产业，目前正处于从理论创新和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，要抓住战略机遇，打造原子级制造未来产业新赛道。院士们建议，我国要充分把握未来产业、终极制造和基础交叉的核心特点，加强产业创新顶层设计和精准政策支持，强化宏观指导、产业协同创新和生态体系建设，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，推动科技创新和产业创新深度融合，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不断加大，政策体系逐渐完善：
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围，为原子级制造技术研发奠定了基础。
2018年，南京市和南京大学合作共建国内首个原子制造研究中心，搭建了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，带领团队攻克了多个技术难关，多次改进原子级制造装备，并于2019年大幅提高了加工效率，实现了几分钟内完成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速度加快：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）》的内容科学性和可实施性进行了深入研讨；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、科研院所和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，将推动科技创新和产业创新深度融合，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，政策支持力度进一步加大。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了极大提升。
一系列政策和措施表明，我国正通过顶层设计和政策引导，系统地推动原子级制造技术发展，加强国家制造业创新中心建设，旨在提高我国制造业的整体水平和国际核心竞争力。
中国企业加速布局，挑战与机遇并存
在政策支持和市场需求的双重推动下，国内企业已经开始积极布局原子级制造领域，部分企业在核心技术和产业化应用方面取得了突破。
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。目前，该公司已经推出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、化合物半导体等多个细分应用领域，并与国内多家主流厂商建立了深度合作关系。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专注于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。他带领团队研发的国产化学机械抛光（CMP）设备，已经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经取得了阶段性成果，但仍然面临着很多严峻挑战。未来需要重点攻克原子级设计软件、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。
本文来自微信公众号 “半导体产业纵横”（ID：ICViews），作者：鹏程，36氪经授权发布。
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