南方科技大学研究团队提出半导体晶圆原子级表面制造新方法

近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授邓辉研究团队在机械制造领域顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture发表题为“An efficient approach for atomic-scale polishing of single-crystal silicon via plasma-based atom-selective etching”的最新研究成果，并被选为封面。该论文首次提出一种基于等离子体诱导原子选择刻蚀效应的单晶硅晶圆原子级表面高效制造方法。

单晶硅是目前最通用的一种半导体材料，随着芯片制程的进一步减小，更先进的芯片制程工艺对晶圆平整度和表面粗糙度的要求越来越高。当工艺节点达到3nm甚至更小时，光刻过程对于晶圆表面质量的要求趋于原子量级。传统的机械抛光或化学机械抛光（CMP）工艺均基于塑性形变来实现材料去除，一方面传统工艺的材料去除原理决定其无法获得无损伤的表面，另一方面传统工艺的工具作用尺度又决定了其无法获得规则的表面原子排列。因此，面向高端芯片制造的原子级表面需求，迫切需要开发出可获得完美原子排列的超精密表面制造新技术。

基于以上需求， 邓辉团队提出了一种基于等离子体诱导原子选择刻蚀效应的超精密抛光方法（Plasma-based Atom-Selective Etching， PASE），原理如图1所示。粗糙的单晶硅表面可视为由不同悬空键数量的硅原子构成，在PASE工艺中，有3个悬空键的硅原子刻蚀优先级最高，其次是有2个悬空键的硅原子，最后是1个悬空键的硅原子。这种刻蚀优先级的差异可以通过改变离子体的参数调控。

一旦优先级较高的硅原子被刻蚀掉，次层的硅原子就会暴露出来，使得表面的成键状态不断变化。在图1（b）中演示了一个粗糙区域通过PASE工艺抛光成光滑表面的过程。在经历多次选择后，最终的表面可以视为一个所有原子规则排列的等势面，也即所有的原子均匀被刻蚀。因此，PASE工艺可以得到原子级的超光滑表面。

根据以上原理，研究人员优化了等离子体功率、气体比例等各项工艺参数。对于2英寸单晶硅晶圆（100），PASE工艺的材料去除率超过0.7μm/min，并且在5分钟内可有效将表面Sa粗糙度从195nm降低至1nm以下，高效率实现了原子级表面制造，且被抛光后的单晶硅晶圆也通过TEM观测被证实无亚表面损伤（图2）。同时，邓辉团队也将这一抛光技术应用到了（110）与（111）晶面的单晶硅晶圆，均取得了良好的抛光效果。这证明PASE是一种通用的单晶硅抛光方法，与硅晶圆的晶体取向无关。

此项研究所提出的等离子体诱导原子选择刻蚀技术由于无机械应力作用，有效避免了传统抛光工艺中所出现的由于剪切与挤压等机械作用而导致的表面与亚表面损伤，可实现无损伤的原子级表面制造。同时，这一技术十分高效，并且无需消耗成本昂贵、需要无害化处理的抛光液和抛光垫，与传统CMP方法相比具有巨大优势。由于这一技术可以对所有晶向的单晶硅晶圆进行抛光，因而其在电子电气领域的晶圆加工中有很大的应用潜力。此外，该方法从原理上有望达到单原子层级别的大尺寸光滑表面，为量子芯片的制造等前沿领域提供了新的可能性。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695520306659

编辑：jq