南方科技大學鄧輝團隊提出半導體晶圓原子級表面制造新方法
近日，南方科技大學機械與能源工程系助理教授鄧輝研究團隊在機械制造領域頂級期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture發表題為“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原子選擇刻蝕效應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。當工藝節點達到3nm甚至更小時，光刻過程對于晶圓表面質量的要求趨于原子量級。傳統的機械拋光或化學機械拋光(CMP)工藝均基于塑性形變來實現材料去除，一方面傳統工藝的材料去除原理決定其無法獲得無損傷的表面，另一方面傳統工藝的工具作用尺度又決定了其無法獲得規則的表面原子排列。因此，面向高端芯片制造的原子級表面需求，迫切需要開發出可獲得完美原子排列的超精密表面制造新技術。
基于以上需求, 鄧輝團隊提出了一種基于等離子體誘導原子選擇刻蝕效應的超精密拋光方法(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量的硅原子構成，在PASE工藝中，有3個懸空鍵的硅原子刻蝕優先級最高，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。這種刻蝕優先級的差異可以通過改變離子體的參數調控。一旦優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不斷變化。在圖1(b)中演示了一個粗糙區域通過PASE工藝拋光成光滑表面的過程。在經歷多次選擇后，最終的表面可以視為一個所有原子規則排列的等勢面，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。
根據以上原理，研究人員優化了等離子體功率、氣體比例等各項工藝參數。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分鐘內可有效將表面Sa粗糙度從195nm降低至1nm以下，高效率實現了原子級表面制造，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應用到了(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。
此項研究所提出的等離子體誘導原子選擇刻蝕技術由于無機械應力作用，有效避免了傳統拋光工藝中所出現的由于剪切與擠壓等機械作用而導致的表面與亞表面損傷，可實現無損傷的原子級表面制造。同時，這一技術十分高效，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CMP方法相比具有巨大優勢。由于這一技術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域的晶圓加工中有很大的應用潛力。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域提供了新的可能性。
