上海交大刘智崑《Additive Manufacturing》：3D 打印单晶硅！

在微纳尺度实现半导体材料的3D打印一直是增材制造领域的“圣杯”。然而，传统的激光加工技术往往只能得到多晶或非晶结构的硅，难以满足高性能半导体器件对单晶材料的严苛要求。

近日，上海交通大学机械与动力工程学院刘智崑副教授团队在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》上发表重要成果，他们利用液态硅烷前驱体，结合激光直写技术，成功实现了全单晶硅纳米结构的快速增材制造，且特征尺寸突破了光学衍射极限。这一技术摆脱了对光刻机及电子束直写设备的依赖，为无需掩模、低成本制造三维半导体器件开辟了新路径。

该工作以“Laser direct writing of single-crystal silicon nanostructures from liquid cyclohexasilane”为题目。上海交通大学刘智崑副教授为通讯作者，博士生杨兴洁为第一作者，合作者包括陈平工程师。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042500394X

图1. “液态前驱体+激光直写”：单晶硅的3D生长示意图。

该研究采用环己硅烷（CHS）作为液态前驱体。相比传统气相沉积（CVD）使用的甲硅烷，CHS具有更弱的Si-Si键（键能低）和更高的硅含量，使其能够在较低温度下（~200-300°C）快速分解。

团队利用532 nm纳秒脉冲激光作为热源。由于液态CHS不吸收该波长的激光，激光直接穿透液体加热硅衬底。这种独特的 “液层透射-界面加热”模式，将高温反应区局限在衬底上方极薄的纳米层内，从而诱导硅原子严格按照衬底晶格排列，实现外延生长。该过程无需引入金属颗粒或其他催化剂。

图2. 垂直硅柱的TEM表征：完美的单晶结构。

透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）结果显示（图2），打印出的硅柱内部完全无晶界，晶格条纹与衬底无缝衔接。无论是在(100)、(110)还是(111)晶向的衬底上，打印结构均完美继承了衬底的晶体取向，证实了真正的单晶3D打印。

图3. 亚波长尺寸及高速生长。

微纳制造突破：更小、更快

突破衍射极限：利用激光能量的高斯分布特性和边缘扩散限制效应，团队在2.2 微米的光斑下，实现了宽度仅为230 nm的硅线和直径280 nm的硅柱，特征尺寸小于激光波长（ 532 nm ）。

高速生长：通过提高激光脉冲频率，垂直生长速率可线性提升至2900 nm/s，这一速度得益于 CHS 分子独特的 “ 协同反应机制 ” ，有效降低了表面反应能垒。

总结

该研究提出了一种基于液态前驱体的激光直写新方法，成功克服了传统激光加工中容易产生多晶/非晶缺陷的难题，实现了单晶硅纳米结构的高效、高精度增材制造。这项技术摆脱了对光刻机及电子束直写设备的依赖，无需昂贵的掩模版或超高真空环境，即可在芯片上原位构建具有特定晶向的单晶硅纳米结构。这为未来三维集成电路（3D IC）、微纳机电系统（MEMS）以及新型光子芯片的定制化、低成本制造提供了全新的技术平台。

通讯作者简介：

刘智崑（通讯作者）：上海交通大学机械与动力工程学院副教授。2015年博士毕业于美国普渡大学工业与制造工程专业。博士论文是关于激光诱导纳米制造技术。博士毕业后回国加入华南理工大学，研究领域是氮化镓晶体管的设计与新制程技术。2019年加入上海交通大学机械与动力工程学院，专注硅基集成电路的新制程及新设备研发。目前具体研究包括选区外延及原子制造，新型硅前驱体，集成多针尖原子力显微镜设备等等。刘智崑副教授已在电子类，制造类，物理类，化学类多个学科的国际顶尖期刊上发表原创性工作，致力于通过跨学科创新解决集成电路先进制程中的关键问题。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。