上海交大劉智崑《Additive Manufacturing》：3D?打印單晶硅！

在微納尺度實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的3D打印一直是增材制造領(lǐng)域的“圣杯”。然而，傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)往往只能得到多晶或非晶結(jié)構(gòu)的硅，難以滿足高性能半導(dǎo)體器件對(duì)單晶材料的嚴(yán)苛要求。

近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院劉智崑副教授團(tuán)隊(duì)在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表重要成果，他們利用液態(tài)硅烷前驅(qū)體，結(jié)合激光直寫技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了全單晶硅納米結(jié)構(gòu)的快速增材制造，且特征尺寸突破了光學(xué)衍射極限。這一技術(shù)擺脫了對(duì)光刻機(jī)及電子束直寫設(shè)備的依賴，為無(wú)需掩模、低成本制造三維半導(dǎo)體器件開辟了新路徑。

該工作以“Laser direct writing of single-crystal silicon nanostructures from liquid cyclohexasilane”為題目。上海交通大學(xué)劉智崑副教授為通訊作者，博士生楊興潔為第一作者，合作者包括陳平工程師。

論文鏈接：

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

圖1. “液態(tài)前驅(qū)體+激光直寫”：?jiǎn)尉Ч璧?D生長(zhǎng)示意圖。

該研究采用環(huán)己硅烷（CHS）作為液態(tài)前驅(qū)體。相比傳統(tǒng)氣相沉積（CVD）使用的甲硅烷，CHS具有更弱的Si-Si鍵（鍵能低）和更高的硅含量，使其能夠在較低溫度下（~200-300°C）快速分解。

團(tuán)隊(duì)利用532 nm納秒脈沖激光作為熱源。由于液態(tài)CHS不吸收該波長(zhǎng)的激光，激光直接穿透液體加熱硅襯底。這種獨(dú)特的 “液層透射-界面加熱”模式，將高溫反應(yīng)區(qū)局限在襯底上方極薄的納米層內(nèi)，從而誘導(dǎo)硅原子嚴(yán)格按照襯底晶格排列，實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)。該過(guò)程無(wú)需引入金屬顆粒或其他催化劑。

圖2. 垂直硅柱的TEM表征：完美的單晶結(jié)構(gòu)。

透射電子顯微鏡（TEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）結(jié)果顯示（圖2），打印出的硅柱內(nèi)部完全無(wú)晶界，晶格條紋與襯底無(wú)縫銜接。無(wú)論是在(100)、(110)還是(111)晶向的襯底上，打印結(jié)構(gòu)均完美繼承了襯底的晶體取向，證實(shí)了真正的單晶3D打印。

圖3. 亞波長(zhǎng)尺寸及高速生長(zhǎng)。

微納制造突破：更小、更快

突破衍射極限：利用激光能量的高斯分布特性和邊緣擴(kuò)散限制效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)在2.2 微米的光斑下，實(shí)現(xiàn)了寬度僅為230 nm的硅線和直徑280 nm的硅柱，特征尺寸小于激光波長(zhǎng)（ 532 nm ）。

高速生長(zhǎng)：通過(guò)提高激光脈沖頻率，垂直生長(zhǎng)速率可線性提升至2900 nm/s，這一速度得益于 CHS 分子獨(dú)特的 “ 協(xié)同反應(yīng)機(jī)制 ” ，有效降低了表面反應(yīng)能壘。

總結(jié)

該研究提出了一種基于液態(tài)前驅(qū)體的激光直寫新方法，成功克服了傳統(tǒng)激光加工中容易產(chǎn)生多晶/非晶缺陷的難題，實(shí)現(xiàn)了單晶硅納米結(jié)構(gòu)的高效、高精度增材制造。這項(xiàng)技術(shù)擺脫了對(duì)光刻機(jī)及電子束直寫設(shè)備的依賴，無(wú)需昂貴的掩模版或超高真空環(huán)境，即可在芯片上原位構(gòu)建具有特定晶向的單晶硅納米結(jié)構(gòu)。這為未來(lái)三維集成電路（3D IC）、微納機(jī)電系統(tǒng)（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術(shù)平臺(tái)。

通訊作者簡(jiǎn)介：

劉智崑（通訊作者）：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院副教授。2015年博士畢業(yè)于美國(guó)普渡大學(xué)工業(yè)與制造工程專業(yè)。博士論文是關(guān)于激光誘導(dǎo)納米制造技術(shù)。博士畢業(yè)后回國(guó)加入華南理工大學(xué)，研究領(lǐng)域是氮化鎵晶體管的設(shè)計(jì)與新制程技術(shù)。2019年加入上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，專注硅基集成電路的新制程及新設(shè)備研發(fā)。目前具體研究包括選區(qū)外延及原子制造，新型硅前驅(qū)體，集成多針尖原子力顯微鏡設(shè)備等等。劉智崑副教授已在電子類，制造類，物理類，化學(xué)類多個(gè)學(xué)科的國(guó)際頂尖期刊上發(fā)表原創(chuàng)性工作，致力于通過(guò)跨學(xué)科創(chuàng)新解決集成電路先進(jìn)制程中的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。