科学家成功改进等离子体深硅刻蚀技术，将晶圆微纳技术提至10nm级别，实现计量测量新突破

　　近日，西北农林科技大学本硕校友、德国布伦瑞克工业大学博士毕业生徐久帅和所在团队，揭示了低温深硅刻蚀纳米结构的动态平衡机理。

　　通过分析和比较不同的微纳制造技术， 针对低温深硅刻蚀的物理化学机理和动态平衡反应原理加以深入研究，他们将晶圆级的高深宽复杂微纳加工技术提升到 10 纳米级别，进而提高了微纳制造的应用能力。

　　图| 徐久帅（来源：徐久帅）

　　在应用前景上：

　　首先，本次技术可被用于计量领域。

　　如上所述，基于本次技术该团队造出了 10 纳米级别的高深宽比结构。

　　由此制备的标准样品，已经帮助荷兰国家计量研究院和丹麦计量研究院的研究人员，实现了基于原子力显微镜和扫描电子显微镜的局部测量。

　　同时，基于散射测量和穆勒矩阵椭偏仪，该课题组提出一种全局高通量计量方法，实现了亚波长纳米阵列高通量的计量仪器和计量算法的突破。

　　在此基础之上，徐久帅和法国计量研究院的两位合作者，分别完善和开发了基于分相干傅里叶散射的测量法、以及基于有限元等的高效建模方法。

　　通过此，徐久帅等人打造出一种高通量计算学手段，针对大阵列协调纳米系统的阶次参数，实现了可靠的测量。

　　此外，徐久帅通过与德国量子设计显微技术公司合作，帮助后者迭代出一款新型计量仪器。

　　该仪器结合了扫描电子显微镜和原子力显微镜这两种显微技术，不仅可以表征纳米尺度的三维形貌，还能测量机械性能、导电性能和磁性能等。

　　其次，本次技术可被用于打造纳米结构。

　　对于纳米线来说，它同时拥有可兼容性、可扩展性、一维的结构、较高的纵横比、可被调控的特性、较大的表面积等特点。

　　因此对于传感、能源、电子、光子学、生物医学等领域的研究人员来说，他们都能利用纳米线来打造所需要的纳米结构。

　　再次，本次技术可被用于打造具备高纵横比的硅纳米线技术，从而用于量子计算、能量存储、能量转换、生物医学、纳米电子学等领域。

　　（来源：Applied Physics Reviews）

　　日前，相关论文以《低温下硅纳米线阵列的深反应离子蚀刻》（Deep-reactive ion etching of silicon nanowire arrays at cryogenic temperatures）为题发在 Applied Physics Reviews（IF16.5）。

　　图 | 相关论文（来源：Applied Physics Reviews）

　　徐久帅是第一作者和通讯作者[1]。

　　何为基于干法刻蚀的微纳加工技术？

　　据介绍，硅微纳加工刻蚀技术，是现代半导体制造的基石，也是一个国家能否站在先进制造和纳米技术前沿的前提。

　　而制造功能强大的微型硅基元件，能够促进尖端传感器、通信设备和国防系统的发展。

　　基于干法刻蚀的微纳加工技术，能够以精确图案化的方式，制造特征尺寸更小的半导体器件。

　　进而能在量子信息、人工智能、集成电路、微机电系统和微电子器件制造中发挥举足轻重的作用。

　　随着微细加工技术的不断进步，以及电信、汽车、生物医疗等行业对于微型设备需求的推动之下，在开发更小、更高效、更高性能的设备上，等离子体深硅刻蚀技术将能发挥关键作用。

　　因此，很有必要通过改进等离子体深硅刻蚀技术技术，来实现更高的纵横比、以及更精细的特征尺寸。而这至少将带来五方面的好处：

　　其一，更好地实现微型化。

　　在电子、生物技术、航空航天等领域，微型化是一个“永恒的追求”。

　　假如能够实现更小的特征尺寸、以及更高的长宽比，就能造出更紧凑、更轻便、更强大的设备。

　　其二，更有利于改进设备功能。

　　通过实现更精细的特征尺寸，可以造出更复杂的结构，从而提高设备的功能。

　　对于微机电系统设备来说这一点可谓尤为重要。原因在于对于尺寸的精确控制，会直接影响设备的传感性能和驱动性能。

　　其三，更有利于提高集成密度。

　　随着特征尺寸的减小，人们能在更小的面积上封装更多的元件，从而提高集成密度。

　　对于集成电路等应用来说，这意味着能在更小的芯片面积之内集成更多的功能，从而推动计算能力和计算效率的进步。

　　其四，更有利于提高设备的灵敏度和分辨率。

　　在传感器和致动器等器件中，通过采用更精细的特征尺寸，可以提高它们的灵敏度和分辨率。

　　这样一来，就能实现更精确的测量、以及更精细的控制，从而更好地用于医疗诊断、环境监测和机器作业等领域。

　　其五，更好地扩展量子应用。

　　利用更精细的特征尺寸，能让纳米结构和量子器件的制造成为可能，从而为量子传感、量子计算和量子通信等领域的应用夯实基础。

　　（来源：Applied Physics Reviews）

　　即将回国填补技术空白

　　据了解，徐久帅在德国布伦瑞克工业大学微机电系统传感器团队获得博士学位后，继续在该课题组从事博士后研究。

　　多年来，该课题组一直致力于改进等离子体深硅刻蚀技术。

　　通过发展硅纳米结构的先进制程、以及研发硅基微机电系统传感器技术，他们针对极小尺寸和极高深款比的硅纳米加工制造技术开展了一系列的探索。

　　并针对低温深硅刻蚀的物理化学机理和动态平衡反应原理加以深入研究。

　　其发现：基于纳米线结构的能量收集装置，具有较高的比表面积、较高的电子迁移率、较好的抗反射电学性能、以及较好的生物化学兼容性。

　　而拥有大规模有序垂直排列的硅纳米线阵列，是一类新型的三维结构，其具备独特且优越的光学性能、电学性能、热学性能、机械性能和化学特性。

　　基于此，人们开始将其用于新一代的能量收集器和存贮器之中。通过从可再生资源中收集能量，可以帮助那些难以获得能量的地区获得电能。

　　由此可见，能量收集装置在解决全球能源问题方面具有很大潜力。而基于纳米线的能量收集系统，已在此前取得了不错的进展。

　　但是，由于纳米线的尺寸和相关设备的尺寸都比较大，这给测试和表征带来了一定挑战。

　　尽管针对能量收集装置的平均特性，人们已经能够对其进行测量，但是依旧难以测量单个纳米线的性能、与整个装置的性能之间的定量联系和相关性。

　　在“欧盟地平线和欧洲计量创新与研究联合项目的支持下，徐久帅所在课题组联合其他外部团队开展了合作研究，希望能够控制基于纳米线的能量收集系统的质量。

　　研究中，他们提出一种名为“混合可追溯计量学”手段。对于由纳米材料制成的纳米线器件来说，在这种手段的帮助之下，可以对其进行高通量的热电表征、纳米尺寸表征、以及纳米机电表征。

　　进而能够帮助纳米能量采集行业的开发商和制造商，造出更加高效、更加可靠的产品。

　　另据悉，作为上述研究的主力人员，徐久帅也迎来了职业新动态。不久之后，他即将加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所担任项目副研究员一职。

　　其表示：“目前国内的同类研究尚处于空白阶段，因此我下一步计划在上海搭建平台，力争开发新系统和新仪器，将原位实时监测技术集成到低温等离子体深硅刻蚀技术系统之中。”

　　同时，他将利用 AI 技术和机器学习技术，动态地调整加工过程参数，希望能够减少实验误差，提高刻蚀品质和结构的一致性。

　　并将通过 AI 算法打造一款预测大模型，以此来模拟刻蚀条件和衬底材料的物化性质，从而能够针对不同微纳结构实现精准的预测和制造。

　　参考资料：

　　1.Xu, J., Refino, A. D., Delvallée, A., Seibert, S., Schwalb, C., Hansen, P. E., ... & Peiner, E. (2024). Deep-reactive ion etching of silicon nanowire arrays at cryogenic temperatures.Applied Physics Reviews,11(2).

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