从芯片制程逼近2纳米到量子计算对原子级精度的极致需求——制造技术正从“纳米时代”迈入“原子尺度时代”。这本白皮书由国内原子级制造领域优势研究力量联合撰写，系统阐述了原子级制造的内涵、原理、去除与改性、构筑、测量全链条技术，并提出了三大科学问题与十大技术难题，为突破国家战略领域“卡脖子”问题提供了系统性技术路线。
原子级制造的内涵——从“纳米时代”到“原子尺度时代”
原子级制造是一种突破传统制造极限的创新技术，旨在通过精确操控单个原子或原子层的排列、移位与去除，实现前所未有的制造精度。其核心在于能够在原子尺度上对物质进行直接操作，使其具备特定的结构、性能或功能。这不仅改变了传统的自上而下的制造方式，还带来了全新的设计理念和思维模式。
与传统制造方式相比，原子级制造具有革命性突破。传统制造工艺大多依赖于“自上而下”的制造方式，通过逐步缩小加工工具的尺寸来提高精度，但在面临功耗墙、存储墙和面积墙等技术瓶颈时难以进一步提升性能。相比之下，原子级制造采用“自下而上”的方式，在原子尺度上构建材料和器件，通过操控单个原子的位置与排列，不仅能突破传统制造技术的局限，还能创造出具有超常性能的新型材料。
原子级制造是物质科学与制造科学深度融合的产物。它要求在多学科的交叉合作中寻求解决方案，打破物理、化学、材料科学、信息科学等学科之间的壁垒，形成全链条的解决方案。
原子级制造原理——三大科学问题的技术基础
原子级制造的理论基础建立在三大原理之上。批量原子操控原理通过“直接创制”或“先创制后操控”的策略，构建包含有序化、规模化势阱阵列的人工势能面，将待操控原子的位置期望值约束于势阱内。扫描隧道显微镜可稳定实现优于0.1Å的针尖空间定位精度，但原子操控效率偏低，难以满足规模化需求。扫描透射电子显微镜则通过弹性散射和非弹性散射两种机制实现单原子操控。
能场/能束与物质的原子尺度作用原理涵盖了“自上而下”的减材加工和“自下而上”的构筑模式。激光在原子级制造中展现出显著优势——飞秒至皮秒量级超短脉冲激光可将电子体系在极短时间内激发至高度非平衡态，为原子尺度的选择性操控提供核心物理基础。
原子级器件设计与工艺仿真随着集成电路制程迈入2-3纳米节点，亟需发展以量子力学与量子输运理论为基石的原子级TCAD软件。以单原子、原子线、原子团簇、原子层为代表的“原子基元”是原子级器件中承载特征物性的最小功能单元。
原子级去除与构筑——从抛光到三维组装的完整工艺链
原子级去除与改性包括原子层抛光、原子层刻蚀、原子尺度切削等。原子层抛光是实现大面积、原子级精度、无损表面制造的关键技术，包括化学机械抛光、等离子体抛光、弹性发射抛光、离子束抛光、团簇束流抛光。先进芯片制造工艺迈入1纳米物理极限，原子层去除加工需求贯穿芯片制造的主要工艺流程。原子层刻蚀利用自限制逐层反应结合传统连续刻蚀工艺，具有原子级刻蚀精度。
原子级构筑包括能场调控原子级构筑、原子精准团簇的构筑和宏量制备、原子层有序生长与界面构筑、原子级三维构筑与定向组装。电/磁/光场可诱导原子选择性定位沉积，热/等离子体场调控原子迁移重构，力/声场调控规模化原子级构筑。气相团簇生成通过“五控两筛”的精准调控机制生成原子级精确团簇。高深宽比限域结构的原子级填充与沉积的核心在于在三维纵向孔道和复杂三维横向结构中协同调控前驱体输运、界面吸附与原子层生长行为。
测量与标准——原子级制造的“眼睛”
原子级制造测量与标准方法是保障制造质量与性能的前提。原子级测控一体前沿的核心是将“操控”和“测量”视为协同设计的统一环节，构建能够在宏观极端环境与微观原子量子行为之间建立定量关联的测控一体理论框架。
超分辨动态观测中，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需要从单一尺度向多尺度转变，从“超快照相”向“超快摄像”跨越。
材料原子尺度物性表征在原子层抛光、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、原子力显微镜等技术进行表征。原子级结构测量中，扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜具有亚纳米级分辨率，极短波长相干衍射成像有望实现原子级分辨成像。原子级缺陷检测中，极短波长能束计算成像检测和超高时空分辨在线检测是两大前沿方向。
