芯片制造的终极范式：原子级制造

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。

01 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。

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。

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。

04 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。