近日，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院孫立濤教授團(tuán)隊基于自主搭建的原位電子顯微學(xué)系統(tǒng)，實時觀察了納米氣泡可加速(~20倍)濕法刻蝕的全過程，首次從原子尺度揭示了刻蝕過程中完整的固-液-氣三相反應(yīng)機(jī)制，為發(fā)展高效、高精度制造工藝與方法提供了新的實現(xiàn)手段和制造原理。其研究成果以“Solid-liquid-gas reaction accelerated by gas molecule tunneling-like effect”為題在Nature子刊《Nature Materials》上在線發(fā)表。研究團(tuán)隊也以此文獻(xiàn)禮東南大學(xué)120周年華誕。

濕法刻蝕廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造等重要領(lǐng)域，但濕法刻蝕方向選擇性有限，很難得到尺寸精確可控的微納結(jié)構(gòu)。孫立濤研究團(tuán)隊借助自建的可實現(xiàn)原子尺度動態(tài)觀測的原位電子顯微學(xué)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)納米氣泡可大大加速(~20倍)濕法刻蝕的速率。此發(fā)現(xiàn)揭示了原子尺度濕法刻蝕的新機(jī)理，使得濕法刻蝕技術(shù)在刻蝕方向、尺寸的可控性大幅提升成為可能，該成果也極有可能發(fā)展為未來微納加工領(lǐng)域的新技術(shù)。微納尺度的固-液-氣反應(yīng)是集成電路制造中的基本物理化學(xué)過程，還涉及晶體管加工中的清洗、拋光等關(guān)鍵工藝。當(dāng)前7nm、5nm等先進(jìn)晶體管器件對于內(nèi)部金屬、半導(dǎo)體和介電層等結(jié)構(gòu)的幾何尺寸具有亞納米級的嚴(yán)苛精度要求。受限于表征手段，上述工藝研發(fā)僅能依靠離線檢測手段表征。該研究結(jié)果對建立工藝參數(shù)-結(jié)構(gòu)尺寸模型，加速工藝研發(fā)具有基礎(chǔ)性支撐作用。

該項研究中涉及的固-液-氣三相反應(yīng)在自然界和工業(yè)界廣泛存在，除濕法刻蝕外，還有如大氣腐蝕、生物有氧呼吸、光催化、燃料電池等。由于在納米尺度追蹤單個顆粒以及三相界面的演變非常困難，所以一直缺乏對反應(yīng)動力學(xué)的定量分析和對三相界面處氣體傳輸機(jī)制的準(zhǔn)確理解。孫立濤團(tuán)隊通過實驗發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)納米氣泡與固體之間的距離小于臨界尺寸（1nm）時，刻蝕速率才顯著提升（一個量級以上）；否則，刻蝕速率幾乎不變。結(jié)合大量實驗定量分析和分子動力學(xué)模擬，研究團(tuán)隊提出范德華力誘導(dǎo)的氣體分子“類遂穿”效應(yīng)是加速刻蝕反應(yīng)的主要原因。該研究首次從納米尺度揭示了固-液-氣反應(yīng)的具體路徑，對日常生活中常見的各類三相反應(yīng)現(xiàn)象的準(zhǔn)確理解提供了扎實的實驗依據(jù)與理論支撐。

液體環(huán)境中納米氣泡加速金表面刻蝕的過程與機(jī)理

本文第一作者為東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生王文，東南大學(xué)副研究員徐濤、中國科學(xué)院上海高等研究院陳濟(jì)舸副研究員為共同第一作者。東南大學(xué)孫立濤教授、美國勞倫斯國家實驗室鄭海梅教授和華東理工大學(xué)方海平教授為共同通訊作者。東南大學(xué)為第一完成單位。該研究工作得到了國家杰出青年基金項目、國家重大科研儀器設(shè)備研制專項項目、國家自然科學(xué)基金國際合作項目、國家自然科學(xué)基金面上項目等項目的共同資助。

孫立濤教授課題組長期從事“可視化”原子尺度制造工藝與原理的相關(guān)研究。通過在透射電鏡里原位搭建納米實驗室的構(gòu)想，發(fā)展了多種基于原位電子顯微學(xué)的創(chuàng)新性新技術(shù)和新方法，從原子尺度揭示材料在加工制造過程中的演變行為和相關(guān)機(jī)理。至今，孫立濤教授已累計在Science、Nature及Nature子刊發(fā)表文章20篇。 （來源：東南大學(xué)）