《Nature Materials》在线发表东南大学可视化原子制造方向重要成果

【东大新闻网6月3日电】（通讯员 蒋明霞）近日，东南大学电子科学与工程学院孙立涛教授团队基于自主搭建的原位电子显微学系统，实时观察了纳米气泡可加速(~20倍)湿法刻蚀的全过程，首次从原子尺度揭示了刻蚀过程中完整的固-液-气三相反应机制，为发展高效、高精度制造工艺与方法提供了新的实现手段和制造原理。其研究成果以“Solid-liquid-gas reaction accelerated by gas molecule tunneling-like effect”为题在Nature子刊《Nature Materials》上在线发表。研究团队也以此文献礼东南大学120周年华诞。

湿法刻蚀广泛应用于半导体制造等重要领域，但湿法刻蚀方向选择性有限，很难得到尺寸精确可控的微纳结构。孙立涛研究团队借助自建的可实现原子尺度动态观测的原位电子显微学系统，发现纳米气泡可大大加速(~20倍)湿法刻蚀的速率。此发现揭示了原子尺度湿法刻蚀的新机理，使得湿法刻蚀技术在刻蚀方向、尺寸的可控性大幅提升成为可能，该成果也极有可能发展为未来微纳加工领域的新技术。微纳尺度的固-液-气反应是集成电路制造中的基本物理化学过程，还涉及晶体管加工中的清洗、抛光等关键工艺。当前7nm、5nm等先进晶体管器件对于内部金属、半导体和介电层等结构的几何尺寸具有亚纳米级的严苛精度要求。受限于表征手段，上述工艺研发仅能依靠离线检测手段表征。该研究结果对建立工艺参数-结构尺寸模型，加速工艺研发具有基础性支撑作用。

该项研究中涉及的固-液-气三相反应在自然界和工业界广泛存在，除湿法刻蚀外，还有如大气腐蚀、生物有氧呼吸、光催化、燃料电池等。由于在纳米尺度追踪单个颗粒以及三相界面的演变非常困难，所以一直缺乏对反应动力学的定量分析和对三相界面处气体传输机制的准确理解。孙立涛团队通过实验发现仅当纳米气泡与固体之间的距离小于临界尺寸（1nm）时，刻蚀速率才显著提升（一个量级以上）；否则，刻蚀速率几乎不变。结合大量实验定量分析和分子动力学模拟，研究团队提出范德华力诱导的气体分子“类遂穿”效应是加速刻蚀反应的主要原因。该研究首次从纳米尺度揭示了固-液-气反应的具体路径，对日常生活中常见的各类三相反应现象的准确理解提供了扎实的实验依据与理论支撑。

液体环境中纳米气泡加速金表面刻蚀的过程与机理

本文第一作者为东南大学电子科学与工程学院博士生王文，东南大学副研究员徐涛、中国科学院上海高等研究院陈济舸副研究员为共同第一作者。东南大学孙立涛教授、美国劳伦斯国家实验室郑海梅教授和华东理工大学方海平教授为共同通讯作者。东南大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家杰出青年基金项目、国家重大科研仪器设备研制专项项目、国家自然科学基金国际合作项目、国家自然科学基金面上项目等项目的共同资助。

孙立涛教授课题组长期从事“可视化”原子尺度制造工艺与原理的相关研究。通过在透射电镜里原位搭建纳米实验室的构想，发展了多种基于原位电子显微学的创新性新技术和新方法，从原子尺度揭示材料在加工制造过程中的演变行为和相关机理。至今，孙立涛教授已累计在Science、Nature及Nature子刊发表文章20篇。 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01261-x

供稿：电子科学与工程学院