制造所能达到的尺度、精度、维度、速度、保真度是衡量制造能力最重要的指标。极限制造是指把制造能力相关指标推向极限的技术,如极小尺度、极高精度、多维度、高速度、高保真度、极端环境等的制造。高能带电荷粒子束光刻是当今世界分辨率最高、使用最灵活的微纳制造手段,在物理学、材料科学、纳米电子学、通讯、防伪等领域有着广泛的应用。随着产业需求和基础研究的不断深入,高能带电粒子束极限制造研究成为近年来的研究热点。然而,高能带电粒子束光刻面临着分辨率远大于束斑尺寸、图形转移精度差、高深宽比结构加工难、加工速度慢、湿法显影容易造成目标材料损伤等问题。针对上述挑战,本论文致力于把高能带电粒子束光刻能力推向极限为目标,提出了系列提升高能带电粒子束光刻的制造尺度、精度、速度、保真度等能力的新工艺,并结合实验与仿真分析,开展了相关的物理机理与应用研究。具体研究内容如下:（1）通过高能单重离子对无机光刻胶HSQ进行光刻,获得了平均直径约2.5 nm的极小尺度高深宽比结构,突破了传统电子束光刻所能达到的极限。通过蒙特卡洛模拟、数值计算和对比实验深入研究了高能单重离子光刻及高分辨率的物理机理,为开发极高分辨率光刻装备,评价光刻胶极限分辨率提供了新思路。（2）提出了“共形填充、SOG平坦化及离子束抛光减薄”的高保真图形转移新工艺,获得了保真度、表面粗糙度和器件性能均优于传统加工方案的微纳结构,进而展示了其在光学滤波和折射率传感等领域的应用。并通过原子层沉积与力学剥离的手段实现了传统方案难以实现的自对准异质金属10 nm级纳米间隙结构的可靠制备,为制备极高形状精度和位置精度的微纳结构提供可行的解决方案。（3）受剪纸技术的启发,提出了抗蚀剂剪纸策略,实现了晶圆级多尺度微纳结构的极高效率加工,如加工半径为400（?）m的跨尺度圆盘,其加工效率比传统方案可提高近万倍。通过力学测量与仿真分析,探究了其力学机制,并基于抗蚀剂剪纸策略高效、高精度、低损伤加工的优势展示了其在光学超透射（EOT）、表面增强拉曼散射（SERS）和二维材料晶体管等领域的应用。该策略突破了高能带电粒子束因逐点制造而效率极低的瓶颈,极大地提高了加工效率和加工精度,实现了传统方案难以实现的独特结构,扩展了光刻技术的能力,并将在高效制造多尺度功能结构方面发挥重要作用。（4）从光刻的本质出发,提出了力学光刻新范式和力学光刻胶新概念。实现了功能材料,如金属、半导体、氧化物、聚合物、量子点等材料的力学光刻图形化加工,并通过实验与仿真研究了力学光刻的机理。基于力学光刻胶的新原理开发了芦荟汁力学光刻胶,实现了钙钛矿量子点高保真的复杂构图。该工作革新了光辐照引起光刻胶溶解度变化得到图案化的传统范式,实现了辐照引起界面力学性能变化从而实现图案化的新范式,为超灵敏材料的高保真加工、新的光刻胶开发和实现全真空一站式微纳加工打开了一扇新窗户。通过高能带电粒子束极限制造新工艺及应用研究,本论文针对传统光刻过程中面临的尺度、精度、速度、极端条件等关键问题上提出了系列原创的方案,一定程度上推动了光刻技术的发展,对高分辨电子束光刻和高能单重离子光刻的应用具有极大的指导意义。