2025 原子级制造技术发展报告（含半导体应用）

2025原子级制造技术发展报告（含半导体应用）摘要原子级制造技术作为未来制造业的核心变革力量，通过在原子尺度上实现材料制备、结构构筑与器件集成，突破了传统制造的物理极限。本报告聚焦2025年原子级制造技术的全球发展态势，重点剖析其在半导体领域的应用突破。报告首先界定原子级制造技术的核心内涵与技术体系，随后从国际前沿与国内进展双维度阐述技术发展现状，深入分析其在逻辑芯片、量子芯片、二维半导体器件等关键半导体领域的应用落地情况；进而梳理全球政策支持与产业市场格局，剖析当前技术产业化面临的核心挑战；最后提出针对性的发展建议与未来展望。截至2025年，原子级制造技术已从实验室走向部分产业化，全球市场规模达500亿美元，中国占比30%，其中半导体领域贡献超40%的市场需求，2nm及以下工艺量产、二维金属制备等突破标志着技术进入规模化应用的关键阶段。一、引言1.1研究背景与意义随着摩尔定律持续逼近物理极限，半导体器件特征尺寸已进入亚纳米尺度，传统光刻技术面临量子隧穿、漏电率激增等瓶颈。原子级制造技术以其原子级精度的操控能力，成为突破这一困境、延续摩尔定律的核心路径，同时为量子计算、高频器件、高效催化等颠覆性领域提供底层支撑。2025年作为原子级制造技术从实验室向产业化跨越的关键年份，全球主要经济体纷纷将其列为国家战略重点，中国在二维材料制备、量子器件制造等领域实现国际领跑，相关技术突破不仅推动半导体产业升级，更对保障国家制造业安全、提升全球产业竞争力具有重大战略意义。本报告通过系统梳理2025年原子级制造技术的最新进展，重点解析其在半导体领域的应用逻辑与产业化前景，为行业从业者、政策制定者及科研人员提供全面的参考依据，助力推动技术创新与产业协同发展。1.2核心概念界定原子级制造（Atomic-ScaleManufacturing,ASM）是指在原子或分子尺度上，通过精准操控、沉积、刻蚀等手段，实现材料制备、结构构筑与功能器件集成的制造技术体系，其核心特征是制造精度达到0.1-0.3nm的原子级水平，可实现单原子或单分子的精准调控。根据技术路径，原子级制造技术主要分为三类：一是扫描探针辅助技术，如扫描隧道显微镜（STM）、非接触原子力显微镜（NC-AFM）等介导的原子操纵；二是外延生长技术，如分子束外延（MBE）、原子层沉积（ALD）等；三是新型精准制造技术，如范德华挤压技术、晶圆级堆垛调控技术等。在半导体应用场景中，原子级制造技术的核心价值在于突破传统工艺的尺寸限制，实现超高密度器件集成、低功耗性能优化与新型功能器件构筑，涵盖逻辑芯片微缩、量子芯片制备、二维半导体器件开发等关键领域。1.3报告框架与数据来源本报告主体结构包括：引言、原子级制造技术体系与发展现状、半导体领域核心应用、政策与市场格局、挑战与对策、未来展望六个部分。报告数据来源包括：国际权威科研文献（如SciEngine收录论文）、全球主要经济体产业政策文件、行业龙头企业公开报告（台积电、英特尔、三星等）、国家自然科学基金委员会等科研机构成果发布、央视新闻等权威媒体报道、第三方市场研究机构统计数据等，确保数据的时效性与权威性，覆盖2023-2025年的最新进展。二、原子级制造技术体系与发展现状2.1核心技术体系解析2.1.1扫描探针辅助原子操纵技术扫描探针辅助技术是原子级制造的核心技术路径之一，通过探针与样品表面的原子间相互作用（隧穿电流、范德华力等）实现单原子的精准操控与结构构筑。其中，扫描隧道显微镜（STM）技术最为成熟，1990年“IBM”原子图案的构筑标志着其技术突破，目前已在硅基量子器件制造中实现全流程应用。2025年最新进展显示，STM技术与分子束外延（MBE）技术的结合已实现硅中双原子量子比特门的高效制备，操作速度可达0.8ns，较传统自旋量子比特门快200倍。非接触原子力显微镜（NC-AFM）则在绝缘体衬底操控中具有独特优势，但其操纵成功率与精度仍落后于STM。2025年，国内科研团队在NC-AFM技术优化方面取得进展，通过探针材料改良，将绝缘衬底上的原子操纵精度提升至0.1nm级别，为绝缘基底上的原子级器件构筑奠定基础。2.1.2外延生长技术外延生长技术通过原子级精准沉积实现材料的层状生长，是半导体器件制造的核心支撑技术，主要包括分子束外延（MBE）与原子层沉积（ALD）两类。MBE技术凭借超高真空环境与精准的原子束控制，可实现原子级平整的薄膜生长，在量子芯片、化合物半导体领域应用广泛。2025年，澳大利亚新南威尔士大学团队通过MBE与STM氢原子操纵技术结合，实现了三维空间量子比特的同步并行控制，为量子处理器规模化制备提供了技术路径。ALD技术则以其优异的台阶覆盖率与厚度控制精度，成为半导体芯片封装、光伏等领域的产业化核心技术。2024年，中国无锡微导纳米公司ALD设备年产值突破60亿元，2025年该技术进一步向半导体制造前端渗透，在2nm工艺的高k介质层沉积中实现应用，沉积厚度均匀度控制在±0.1nm。2.1.3新型精准制造技术2025年，新型原子级制造技术实现突破性进展，其中范德华挤压技术与晶圆级堆垛调控技术最为引人注目。中国科学院物理研究所张广宇团队开发的范德华挤压技术，采用原子级平整的单层二硫化钼作为压砧，成功制备出大面积单原子层二维金属（铋、锡、铅等），厚度仅为头发丝直径的二十万分之一，且环境稳定性优异，开创了二维金属研究新领域。南京大学王欣然团队联合多家单位突破的晶圆级二维半导体堆垛调控技术，通过同质外延策略与缺陷调控机制，实现了菱方相（3R相）二硫化钼的晶圆级制备，3R相占比接近100%。基于该技术的超薄铁电晶体管阵列，在1.3nm沟道厚度下仍实现超过十年的数据保持能力与16位多态写入能力，为高密度存储器件集成提供了新方案。2.2国际技术发展前沿2.2.1欧美地区进展美国在半导体量子芯片的原子级制造领域保持领先，英特尔公司与QuTech合作，2022年已在300mm硅晶片上实现量子比特规模化制备，2025年进一步优化工艺，将量子比特相干时间提升至1毫秒级别。IBM则基于2nm工艺实现1386量子比特的“Kookaburra”量子处理器制造，通过3D堆叠技术实现量子比特间皮米级对准，误差小于0.1nm。荷兰代尔夫特大学在CMOS兼容的量子芯片制造中取得进展，其开发的原子级掺杂技术可实现量子点与传统晶体管的协同集成，为量子计算与经典计算的融合提供了可能。此外，欧盟通过“地平线2020”后续计划持续投入原子级制造技术研发，重点支持High-NAEUV光刻与原子级刻蚀技术的协同发展，以突破2nm以下工艺瓶颈。2.2.2亚太地区进展韩国三星与中国台湾台积电在2nm及以下工艺的原子级制造产业化中竞争激烈。台积电N2工艺于2025年下半年正式量产，采用纳米片GAA架构，漏电率较3nmFinFET降低80%，晶体管密度提升15%，初期月产能5万片，良率超过60%。三星2nm工艺（SF2）计划2025年第四季度量产，采用第三代GAA技术，但试产良率仅40%，目前正通过工艺优化提升稳定性。澳大利亚新南威尔士大学在硅基量子器件原子级制造领域持续突破，其基于STM与MBE结合的工艺，已实现世界首款硅量子处理器的构建，推动实验室成果向产业化迈进。日本则聚焦原子级制造设备研发，试图在High-NAEUV光刻机关键部件制造中突破，以降低对ASML的依赖。2.3国内技术发展现状2.3.1科研突破成果中国在原子级制造领域已实现从跟跑到领跑的跨越，2025年多项成果入选国际权威榜单。其中，中科院物理所张广宇团队的“首例二维金属制备”成功入选《物理世界》“2025年度十大科学突破”，标志着我国在二维材料原子制造领域占据国际领先地位。在量子器件制造方面，中科院物理所高鸿钧院士团队利用超高真空STM技术在拓扑量子结构、分子自旋链等方面取得系列突破；南京大学丁海峰团队在贵金属表面构筑原子级精确的“量子围栏”，实现信息逻辑运算原型器件；郭光灿院士团队开发硅基量子芯片工艺，实现多量子比特纠缠操纵；中科院微电子研究所殷华湘团队将原子级制造与CMOS工艺结合，提出量子点器件集成方案，突破硅基量子比特制造瓶颈。2.3.2产业化推进情况国内原子级制造技术产业化进程加速，设备国产化率逐步提升。无锡微导纳米的ALD设备已实现规模化应用，2024年产值突破60亿元；北方华创的原子层刻蚀设备已进入中芯国际等龙头企业产线测试，线宽控制精度达0.3nm；苏州博众在透射电镜等高端检测设备国产化方面取得突破，单价较进口设备降低50%。在半导体工艺方面，国内企业正积极布局2nm及以下工艺的原子级制造技术。厦门毅睿科技的薄膜沉积设备已应用于2nm工艺研发，为GAA晶体管的沟道制备提供支撑；中电科的原子级抛光技术使EUV光刻物镜面形精度达到原子级，表面粗糙度Ra≤0.1nm，保障了高端光刻机的工艺适配性。三、原子级制造技术在半导体领域的核心应用3.1逻辑芯片：突破2nm以下工艺极限3.1.1GAA晶体管制造的原子级支撑2nm及以下工艺的核心突破在于全环绕栅极（GAA）技术的产业化应用，而原子级制造技术是GAA晶体管实现的关键支撑。传统FinFET在3nm节点后，鳍片厚度接近10原子层，量子隧穿效应导致漏电率激增。GAA晶体管通过纳米线或纳米片结构将栅极完全包裹沟道，实现原子级精度的电流控制，而这一结构的制备依赖原子级沉积与刻蚀技术。2025年，台积电N2工艺采用纳米片架构，通过ALD技术沉积高k介质层与金属栅极，将沟道厚度控制在5原子层以内，漏电率较3nmFinFET降低80%；英特尔18A工艺的RibbonFET（纳米带晶体管）进一步将单元高度压缩至180nm，通过原子级抛光技术保证沟道表面平整度，在相同面积下实现25%的性能提升或36%的功耗降低。3.1.2背面供电技术的原子级集成为解决高密度布线带来的供电瓶颈，2nm工艺引入背面供电网络（BSPDN），其核心是通过原子级制造技术实现晶圆背面的精准金属化与键合。台积电A16节点（1.6nm）将电源轨迁移至晶圆背面，通过原子层沉积实现3nm级键合对准，释放正面75%的布线资源，使信号传输层间距扩大40%，电磁干扰降低20%。英特尔PowerVia技术通过纳米TSV连接背面金属层，采用原子级刻蚀技术制备高aspectratio的通孔结构，将电压降从传统方案的50mV锐减至20mV，实测功耗削减30%。这种架构革新尤其适用于AI芯片，英伟达BlackwellUltraGPU若采用2nm背面供电技术，算力密度有望突破5PetaFLOPS。3.2量子芯片：原子级精准构筑量子比特3.2.1硅基量子比特的原子级制备硅基量子芯片因与CMOS工艺兼容，成为量子计算产业化的重要方向，其核心是实现量子比特的原子级精准掺杂与操控。澳大利亚新南威尔士大学团队基于Kane提出的硅基磷掺杂量子计算模型，将STM氢原子操纵技术与MBE外延生长技术结合，实现磷原子的精准掺杂和图案化控制。2025年，该团队进一步优化工艺，实现10原子级量子集成电路的制备，为量子处理器规模化提供了基础。国内方面，南方科技大学贺煜研究团队致力于硅基单原子量子器件的集成与高保真度量子模拟，通过原子级制造技术实现量子比特的高保真度操控；中科院微电子研究所殷华湘团队的CMOS兼容量子点器件集成方案，为硅基量子芯片与传统芯片的融合奠定了技术基础。3.2.2量子比特阵列的原子级堆叠量子比特阵列的规模化集成需要原子级的堆叠与对准技术。IBM“Kookaburra”量子处理器采用2nm工艺制造耦合量子点阵列，通过3D堆叠技术实现量子比特间的皮米级对准，误差小于0.1nm，相干时间达1毫秒，支持1386量子比特的并行计算。国内科研团队在量子比特阵列构筑方面也取得进展，高鸿钧院士团队利用STM技术在拓扑绝缘体表面实现原子级精度的量子比特阵列，通过调控原子排列方式优化量子比特间的耦合强度，为拓扑量子计算提供了实验基础。3.3二维半导体器件：原子级层状结构调控3.3.1晶圆级二维半导体制备二维半导体因其原子级厚度、高迁移率及三维集成兼容性，成为后硅时代的重要候选材料。2025年，南京大学王欣然团队联合多家单位突破晶圆级菱方相（3R相）二硫化钼的同质外延生长技术，通过精准调控过渡金属前驱体浓度与缺陷调控机制，实现3R相占比接近100%的晶圆级制备。该技术的核心是利用Mo替位S缺陷（Mos）打破2H与3R相的能量简并状态，促使3R堆垛优先形核生长。基于该材料的超薄铁电晶体管阵列，在1.3nm沟道厚度下表现出优异的非易失铁电调控能力，为高密度、低功耗存储器件的三维异质集成提供了可能。3.3.2二维金属/半导体异质集成2025年中科院物理所张广宇团队开发的范德华挤压技术，实现了二维金属与半导体的原子级异质集成。该技术制备的单原子层金属被单层二硫化钼封装，具有良好的环境稳定性，可作为二维半导体器件的电极材料，有效降低接触电阻，提升器件性能。这种异质集成结构有望为超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示等领域带来技术革新。例如，基于二维金属/二硫化钼异质结构的晶体管，开关比可达10⁸，响应速度较传统硅基晶体管提升一个数量级，为5G/6G通信器件提供了新方案。3.4其他半导体应用场景原子级制造技术在半导体传感器、功率半导体等领域也展现出广阔应用前景。在传感器领域，单原子催化位点技术已应用于绿色农业传感器制造，每分钟可量产1片传感芯片，成本降至商业化水平；在功率半导体领域，原子级抛光技术突破碳化硅晶圆加工瓶颈，满足6G通信硅光波导需求，加工精度达0.1纳米。此外，原子级制造技术在半导体封装领域的应用持续深化，通过原子层沉积技术制备的超薄封装层，可有效提升芯片的散热性能与可靠性，为高密度集成芯片提供保障。四、政策支持与市场格局4.1全球政策支持态势4.1.1中国：战略布局与专项支持中国将原子级制造列为“未来制造六大方向”之一，形成国家层面的战略布局。工信部设立专项“揭榜挂帅”攻关项目，重点支持原子级制造设备国产化、材料替代与工艺集成；国家自然科学基金委员会通过“原子级制造的基础科学问题”主题论坛等形式，凝聚科研共识，推动理论与实验研究协同发展。地方层面，南京、苏州正筹建原子级制造大科学装置，预研阶段已完成，目标2030年建成，为技术研发提供公共平台支撑；长三角、粤港澳大湾区形成产业集群效应，吸引上下游企业集聚，推动技术产业化落地。4.1.2国际政策与战略美国将原子级制造纳入“国家半导体战略”，通过CHIPS法案投入巨资支持相关技术研发与产线建设，重点扶持量子芯片、先进逻辑芯片的原子级制造；欧盟“地平线2025”计划将原子级制造列为关键领域，支持High-NAEUV光刻、原子级刻蚀等技术的协同创新，推动产业链协同。日本通过“半导体产业复兴计划”重点支持原子级制造设备研发，试图在光刻机关键部件、原子层沉积设备等领域突破；韩国政府则为三星、SK海力士等企业提供税收优惠与研发补贴，加速2nm及以下工艺的原子级制造产业化。4.2产业市场格局分析4.2.1全球市场规模与增长2025年全球原子级制造技术市场规模达500亿美元，年增速超25%。其中，半导体领域是最大应用市场，贡献超40%的市场需求，3nm以下芯片需求年增112%，催生200亿美元的设备市场。从区域分布看，中国占全球市场份额的30%（150亿美元），北美占比35%，欧洲占比20%，亚太其他地区占比15%。细分技术市场中，原子层沉积（ALD）设备因产业化程度最高，占据市场主导地位，2025年全球市场规模达120亿美元；扫描探针辅助设备因主要应用于科研与量子芯片领域，市场规模约80亿美元；新型原子级制造技术（如范德华挤压、堆垛调控）处于产业化初期，市场规模约50亿美元，但增速最快，预计2030年将突破200亿美元。4.2.2产业链核心企业布局原子级制造产业链涵盖设备、材料、制造、应用四大环节，核心企业呈现全球化竞争格局。设备领域，国际龙头包括ASML（High-NAEUV光刻机）、应用材料（ALD/刻蚀设备）、东京电子等；国内企业如北方华创、微导纳米、苏州博众等加速国产化替代，在ALD设备、检测设备等领域已实现突破。材料领域，日美企业在高纯靶材、前驱体等领域占据垄断地位，国内金钼股份等企业加速国产替代，目标将材料成本降低30%；制造领域，台积电、英特尔、三星主导2nm及以下工艺的原子级制造量产，国内中芯国际、华虹半导体正积极布局研发；应用领域，苹果、英伟达、AMD等下游企业积极采用先进原子级制造工艺，推动芯片性能升级。五、原子级制造技术产业化面临的核心挑战5.1技术层面挑战5.1.1原子操控效率与规模化矛盾当前原子级制造技术面临“精准度与效率”的核心矛盾。扫描探针辅助技术虽能实现单原子精准操控，但操纵效率极低，目前仅能达到每秒百原子级别，与产业化所需的每秒百万原子级别存在5个数量级的差距。例如，量子比特阵列的制备仍依赖逐原子操控，难以实现大规模量产；二维金属的大面积制备虽已突破，但产能仍受限，无法满足工业级需求。5.1.2工艺兼容性与良率控制难题原子级制造技术与传统CMOS工艺的兼容性不足，制约了其在半导体领域的规模化应用。例如，量子芯片的原子级掺杂工艺与传统逻辑芯片制造流程难以协同，导致量子-经典融合芯片的制备良率极低；2nm工艺的背面供电技术需要晶圆减薄至100纳米以下，导致热膨胀系数失配，需通过梯度退火工艺降低应力，否则晶体管迁移率将下降8%。此外，原子级制造工艺的良率控制难度大。三星2nm工艺试产良率仅40%，远低于产业化要求的60%以上；二维半导体堆垛调控技术虽实现晶圆级制备，但在大尺寸晶圆上的3R相一致性仍需提升，边缘区域的缺陷密度较高。5.1.3检测与表征技术滞后原子级尺度的检测与表征技术滞后于制造技术的发展，难以实现对原子级结构的实时、精准检测。当前主流的原子力显微镜、透射电镜等设备，存在扫描速度慢、检测范围小、无法原位检测等问题。例如，原子层沉积过程中，原子级厚度的均匀性检测需离线进行，无法及时反馈调整工艺参数；量子比特的原子排列状态检测精度不足，影响量子器件的性能一致性。5.2产业层面挑战5.2.1设备国产化率低与成本高昂原子级制造核心设备依赖进口，国内国产化率不足30%。例如，High-NAEUV光刻机全球仅ASML能量产，单台设备成本高达3.5亿美元，且年产能仅约50台，70%订单被台积电包揽，国内企业难以获取；透射电镜等高端检测设备进口单价超2000万元，制约了科研与产业化进展。设备成本高昂导致原子级制造工艺的商业化成本居高不下。2nm晶圆制造成本达1.5万美元/片，是5nm的2倍；量子芯片的制备成本更是高达数百万美元/片，难以实现规模化应用。尽管国内企业在设备国产化方面取得突破，但核心零部件仍依赖进口，成本降低空间有限。5.2.2材料与供应链瓶颈原子级制造对材料纯度与缺陷密度要求极高，国内在高纯靶材、前驱体、衬底材料等方面存在明显短板。例如，半导体级高纯硅衬底的缺陷密度难以满足2nm工艺要求，依赖日本信越、SUMCO等企业；原子层沉积用前驱体的纯度要求达到99.9999%以上，国内企业的产品纯度仍存在差距，占成本的40%。全球供应链的不稳定性进一步加剧了材料瓶颈。地缘政治冲突导致部分关键材料的供应受限，例如，稀有金属靶材的进口渠道受阻，影响二维金属与半导体器件的制备；High-NAEUV光刻机的核心部件供应紧张，导致2nm产线建设进度延迟。5.2.3标准体系不完善与人才短缺原子级制造领域的标准体系尚未完善，缺乏覆盖“设计-制造-检测”全链条的统一标准。尽管国际电工委员会（IEC）发布了部分纳米器件制造标准，但在原子级制造的工艺参数、质量检测、性能评估等方面仍存在空白；国内虽制定了部分地方标准与行业标准，但与国际标准的衔接不足，影响了技术的国际化推广。原子级制造技术涉及物理、化学、材料、电子等多学科交叉，高端复合型人才短缺。国内高校与科研机构的人才培养体系滞后于技术发展，缺乏针对原子级制造的专业课程与实践平台；国际高端人才竞争激烈，国内企业与科研机构难以吸引顶尖人才，制约了技术创新与产业化推进。六、发展对策与未来展望6.1核心发展对策6.1.1强化核心技术攻关，提升设备国产化率聚焦原子级制造核心设备与工艺，实施“揭榜挂帅”机制，集中优势科研力量攻关High-NAEUV光刻机关键部件、原子层沉积/刻蚀设备、高端检测设备等“卡脖子”技术。加强产学研协同创新，建立国家级原子级制造技术创新中心，推动科研成果向产业化转化。例如，加速苏州博众透射电镜的国产化量产，降低设备成本；推动北方华创、微导纳米的ALD设备向半导体前端工艺渗透，提升市场竞争力。6.1.2完善材料供应链，推动国产替代加大对原子级制造材料领域的研发投入，支持高纯靶材、前驱体、衬底材料等关键材料的国产替代。建立材料-设备-制造协同开发机制，提升材料与设备的适配性。例如，支持金钼股份等企业提升高纯钼靶材纯度，满足二维金属制备需求；推动中科院化学所、清华大学等科研机构与企业合作，开发高纯度原子层沉积前驱体。同时，构建多元化的全球供应链，降低地缘政治风险。6.1.3加快标准体系建设，加强人才培养牵头或参与国际原子级制造标准制定，推动国内标准与国际标准衔接，构建覆盖“设计-制造-检测”全链条的标准体系。重点制定二维材料制备、量子比特制造、原子级沉积等领域的工艺标准与质量检测标准。加强人才培养体系建设，高校增设原子级制造相关专业，开设跨学科课程；建立校企联合培养基地，提升人才的实践能力；出台优惠政策吸引国际高端人才，打造复合型人才队伍。6.1.4优化政策支持，推动产业协同加大政策扶持力度，扩大原子级制造专项基金规模，支持企业研发与产线建设；出台税收优惠、融资支持等政策，降低企业创新成本。加快南京、苏州原子级制造大科学装置建设，为科研与产业化提供公共平台支撑。推动产业链上下游协同，建立产业联盟，促进设备、材料、制造、应用企业的资源共享与协同创新，提升产业整体竞争力。6.2未来展望6.2.1短期展望（2025-2030）：技术产业化加速未来5年，原子级制造技术将进入产业化加速阶段。原子层沉积设备国产化率将提升至60%以上，成本降低50%；2nm工艺将实现大规模量产，1.6nm工艺进入研发阶段；量子芯片的量子比特数量将突破5000个，制备成本降低60%，开始在特定领域（如密码学、材料模拟）实现商业化应用。二维金属与半导体器件将在高频通信、透明显示等领域实现初步应用，市场规模突破200亿美元。6.2.2中期展望（2030-2035）：技术融合与场景拓展2030年后，原子级制造技术将与人工智能、量子计算、生物技术等领域深度融合。AI辅助的原子级制造将实现工艺参数的实时优化与原子级结构的精准预测，大幅提升制造效率与良率；原子级制造技术将推动量子计算机的商业化普及，实现通用量子计算；在生物技术领域，原子级制造的纳米机器人将用于肿瘤靶向治疗等精准医疗场景。此外，原子级制造技术将拓展至太空制造、新能源等领域，实现太空光学镜片、高效储能器件等的制备。6.2.3长期展