飞秒至阿秒时间尺度的超快观测、极紫外/X射线的原子级相干衍射成像、极短波长散射对原子级特征尺寸的反演重构——原子级制造测量与标准方法是保障原子级制造质量与性能的“眼睛”。本白皮书系统阐述了原子级测控一体前沿、超分辨动态观测、原子尺度物性表征、原子级结构测量、原子级缺陷检测五大方向，揭示了从实验室表征到在线监测的完整测量体系。
原子级测控一体前沿——操控与测量的协同设计
原子级测控一体前沿是原子级制造体系中面向精度极限的重要基础方向，其核心不再是将“操控”和“测量”视为彼此独立的技术环节，而是在原子尺度下发展操控—测量协同设计的统一原理与方法。该方向聚焦极端物理条件下，通过精确外场构建与高灵敏度检测手段的深度耦合，实现对单个原子位置、状态、量子态及动力学行为的可控演化与可读出观测。
冷原子体系依托光镊、磁光阱和光晶格，实现超低温下单原子量子态的构筑与操控；扫描隧道显微镜和原子力显微镜则在固体表面实现亚埃尺度的单原子定位、移动与构型重构。高压、强磁场、超低温、强电场和超快激光等极端条件为原子行为引入新的调控维度。
具备单原子操纵能力并可反演三维势能面的先进原子力显微技术，在该方向中发挥着不可替代的作用。超时空分辨动态观测构成了原子级测控一体前沿的重要拓展，使研究从静态结构表征迈向对非平衡动力学过程的直接解析。
超分辨动态观测与物性表征——从“超快照相”到“超快摄像”
原子级制造过程中原子的键合与缺陷的产生均发生在飞秒甚至阿秒时间尺度，空间精度趋于纳米乃至亚纳米量级。超高时空分辨在线检测技术是保障制造质量的关键。
超快科技及其与高空间分辨率测量结合技术的发展使得原子级制造过程监测成为可能，可在结构演化与缺陷产生过程中实现快速、无损检测。然而原子级制造过程涉及的复杂对象及过程、极端尺度、多元形性参量使得超快观测难度不断提升，呈现从单一尺度向多尺度转变、一次一帧的“超快照相”向一次多帧的“超快摄像”跨越、单一维度观测向多维度多参数在线实时观测拓展的发展趋势。
在原子层抛光、刻蚀、切削过程中，需要利用透射电子显微镜、扫描透射电子能量损失谱、原子力显微镜的皮米级台阶测量以及高分辨率X射线光电子能谱等技术，从原子尺度表征材料表面的重构机制和近表层区域的损伤行为。
原子级结构测量与缺陷检测——极短波长技术的突破
原子级结构测量是指通过探测光子、电子、X射线等与原子级结构作用后的信息，并从中定量确定原子级结构特征尺寸、三维形貌等信息的技术，包括扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、极短波长成像、极短波长散射/反射/椭偏仪等。
极短波长相干衍射成像是一种新兴的无透镜计算成像技术，通过探测极紫外、X射线、电子束等与待测结构作用后的衍射信息，结合先进相位恢复算法，重构待测结构图像，有望实现原子级分辨成像。在高端芯片制造中，极紫外光刻掩模的三维形貌测量必须依赖原波长测量技术，极紫外叠层衍射成像成为有望解决该挑战的技术路径。
极短波长散射技术通过极短波长光束与待测结构相互作用，获取倒易空间的散射信号，构建散射信息与原子级结构参数的映射模型，实现特征尺寸和三维形貌参数反演重构。3D NAND闪存与3D DRAM中的高深宽比结构，则依赖X射线散射测量技术实现对深孔侧壁形貌的无损测量。
原子级缺陷检测是指对原子级材料、结构及器件表面与内部在原子尺度下的结构畸变、杂质掺杂或空位等极微观缺陷进行感知的检测技术。极短波长能束计算成像检测利用极紫外、X射线乃至电子束等极短波长能束，结合计算光学、缺陷信号增强与缺陷特征重构等关键算法，实现对材料及结构表面和内部缺陷的无损、跨尺度、精确检测。超高时空分辨检测则实现对飞秒至阿秒时间尺度动态演化与纳米空间尺度结构的协同在线观测。
