近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系助理教授鄧輝研究團隊在機械制造領(lǐng)域頂級期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture發(fā)表題為“An efficient approach for atomic-scale polishing of single-crystal silicon via plasma-based atom-selective etching”的最新研究成果，并被選為封面。該論文首次提出一種基于等離子體誘導(dǎo)原子選擇刻蝕效應(yīng)的單晶硅晶圓原子級表面高效制造方法。

　　

單晶硅是目前最通用的一種半導(dǎo)體材料，隨著芯片制程的進一步減小，更先進的芯片制程工藝對晶圓平整度和表面粗糙度的要求越來越高。當(dāng)工藝節(jié)點達到3nm甚至更小時，光刻過程對于晶圓表面質(zhì)量的要求趨于原子量級。傳統(tǒng)的機械拋光或化學(xué)機械拋光(CMP)工藝均基于塑性形變來實現(xiàn)材料去除，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的材料去除原理決定其無法獲得無損傷的表面，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的工具作用尺度又決定了其無法獲得規(guī)則的表面原子排列。因此，面向高端芯片制造的原子級表面需求，迫切需要開發(fā)出可獲得完美原子排列的超精密表面制造新技術(shù)。

　　

基于以上需求, 鄧輝團隊提出了一種基于等離子體誘導(dǎo)原子選擇刻蝕效應(yīng)的超精密拋光方法(Plasma-based Atom-Selective Etching, PASE)，原理如圖1所示。粗糙的單晶硅表面可視為由不同懸空鍵數(shù)量的硅原子構(gòu)成，在PASE工藝中，有3個懸空鍵的硅原子刻蝕優(yōu)先級最高，其次是有2個懸空鍵的硅原子，最后是1個懸空鍵的硅原子。這種刻蝕優(yōu)先級的差異可以通過改變離子體的參數(shù)調(diào)控。一旦優(yōu)先級較高的硅原子被刻蝕掉，次層的硅原子就會暴露出來，使得表面的成鍵狀態(tài)不斷變化。在圖1(b)中演示了一個粗糙區(qū)域通過PASE工藝拋光成光滑表面的過程。在經(jīng)歷多次選擇后，最終的表面可以視為一個所有原子規(guī)則排列的等勢面，也即所有的原子均勻被刻蝕。因此，PASE工藝可以得到原子級的超光滑表面。

　　

根據(jù)以上原理，研究人員優(yōu)化了等離子體功率、氣體比例等各項工藝參數(shù)。對于2英寸單晶硅晶圓(100)，PASE工藝的材料去除率超過0.7μm/min，并且在5分鐘內(nèi)可有效將表面Sa粗糙度從195nm降低至1nm以下，高效率實現(xiàn)了原子級表面制造，且被拋光后的單晶硅晶圓也通過TEM觀測被證實無亞表面損傷(圖2)。同時，鄧輝團隊也將這一拋光技術(shù)應(yīng)用到了(110)與(111)晶面的單晶硅晶圓，均取得了良好的拋光效果。這證明PASE是一種通用的單晶硅拋光方法，與硅晶圓的晶體取向無關(guān)。

　　此項研究所提出的等離子體誘導(dǎo)原子選擇刻蝕技術(shù)由于無機械應(yīng)力作用，有效避免了傳統(tǒng)拋光工藝中所出現(xiàn)的由于剪切與擠壓等機械作用而導(dǎo)致的表面與亞表面損傷，可實現(xiàn)無損傷的原子級表面制造。同時，這一技術(shù)十分高效，并且無需消耗成本昂貴、需要無害化處理的拋光液和拋光墊，與傳統(tǒng)CMP方法相比具有巨大優(yōu)勢。由于這一技術(shù)可以對所有晶向的單晶硅晶圓進行拋光，因而其在電子電氣領(lǐng)域的晶圓加工中有很大的應(yīng)用潛力。此外，該方法從原理上有望達到單原子層級別的大尺寸光滑表面，為量子芯片的制造等前沿領(lǐng)域提供了新的可能性。