半导体晶圆材料的超精密加工研究方面获重要进展

西南交通大学和清华大学摩擦学团队合作在半导体晶圆材料的超精密加工研究方面获重要进展

纳米加工过程中实现原子级精度的超精密制造对开发纳米电子器件的独特功能至关重要。理论上讲，半导体晶圆材料的加工极限为单原子层去除。以往传统的加工方法，如金刚石切削，以及后来发展的光刻技术均无法达到该加工极限。尽管原子层刻蚀技术或聚焦离子束辅助光刻技术可以实现原子级精度加工，但会带来表面化学污染或加工表面缺陷等问题。

西南交通大学与清华大学摩擦学团队合作，首次基于扫描探针技术在不具有层状解理面的单晶硅材料表面实现了极限精度加工，即单层硅原子的可控去除（如图1）。该方法不需要掩膜，无化学腐蚀，在普通潮湿环境下就可利用摩擦化学反应直接加工。

与传统机械加工中材料的磨损、断裂和塑性变形不同，单晶硅原子级材料的摩擦化学去除主要归因于滑动界面间原子键合作用下基体硅原子的剥离。因此，原子层状材料去除后的次表层晶体结构保持完整，无滑移或晶格畸变等缺陷产生。在该研究中，通过高分辨透射电镜观测给出了单晶硅材料原子层状去除的直接证据，并结合分子动力学模拟揭示了硅原子的摩擦化学剥离机制。

单晶硅作为半导体和光学工业应用最为广泛的晶体材料之一，其表面的超精密加工是大规模集成电路向结构立体化和布线多层化发展的基础。单晶硅表面的极限精度加工研究将助于提出在微小压力下实现大面积全局平坦化表面制造的新原理和新方法，为促进微纳电子器件持续微型化和集成化奠定理论基础。除此之外，基于摩擦化学反应的扫描探针加工技术也可扩展至其它材料的超精密加工，如在砷化镓表面为量子点的定点生长加工纳米织构母版，以及实现二维材料的层状去除等。

以上研究成果以“Nanomanufacturing of siliconsurface with a single atomic layer precision via mechanochemical reactions”为题发表在Nature Communications (DOI10.1038/s41467-018-03930-5)上，西南交通大学陈磊副研究员为第一作者，西南交通大学钱林茂教授和“外专千人”Seong H.Kim教授，以及清华大学路新春教授为共同通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金委和纳米制造重大研究计划等项目支持。

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