科學家成功改進等離子體深矽刻蝕技術，將晶圓微納技術提至10nm級別，實現計量測量新突破

近日，西北農林科技大學本碩校友、德國布倫瑞克工業大學博士畢業生徐久帥和所在團隊，揭示了低溫深矽刻蝕納米結構的動態平衡機理。

通過分析和比較不同的微納製造技術，針對低溫深矽刻蝕的物理化學機理和動態平衡反應原理加以深入研究，他們將晶圓級的高深寬複雜微納加工技術提升到 10 納米級別，進而提高了微納製造的應用能力。

在應用前景上：

首先，本次技術可被用於計量領域。

如上所述，基於本次技術該團隊造出了 10 納米級別的高深寬比結構。

由此製備的標準樣品，已經幫助荷蘭國家計量研究院和丹麥計量研究院的研究人員，實現了基於原子力顯微鏡和掃瞄電子顯微鏡的局部測量。

同時，基於散射測量和梅拿矩陣橢偏儀，該課題組提出一種全局高通量計量方法，實現了亞波長納米陣列高通量的計量儀器和計量算法的突破。

在此基礎之上，徐久帥和法國計量研究院的兩位合作者，分別完善和開發了基於分相干傅里葉散射的測量法、以及基於有限元等的高效建模方法。

通過此，徐久帥等人打造出一種高通量計算學手段，針對大陣列協調納米系統的階次參數，實現了可靠的測量。

此外，徐久帥通過與德國量子設計顯微技術公司合作，幫助後者迭代出一款新型計量儀器。

該儀器結合了掃瞄電子顯微鏡和原子力顯微鏡這兩種顯微技術，不僅可以表徵納米尺度的三維形貌，還能測量機械性能、導電性能和磁性能等。

其次，本次技術可被用於打造納米結構。

對於納米線來說，它同時擁有可兼容性、可擴展性、一維的結構、較高的縱橫比、可被調控的特性、較大的表面積等特點。

因此對於傳感、能源、電子、光子學、生物醫學等領域的研究人員來說，他們都能利用納米線來打造所需要的納米結構。

再次，本次技術可被用於打造具備高縱橫比的矽納米線技術，從而用於量子計算、能量存儲、能量轉換、生物醫學、納米電子學等領域。

圖 | 相關論文（來源：Applied Physics Reviews）

徐久帥是第一作者和通訊作者[1]。

何為基於干法刻蝕的微納加工技術？

據介紹，矽微納加工刻蝕技術，是現代半導體制造的基石，也是一個國家能否站在先進製造和納米技術前沿的前提。

而製造功能強大的微型矽基元件，能夠促進尖端傳感器、通信設備和國防系統的發展。

基於干法刻蝕的微納加工技術，能夠以精確圖案化的方式，製造特徵尺寸更小的半導體器件。

進而能在量子信息、人工智能、集成電路、微機電系統和微電子器件製造中發揮舉足輕重的作用。

隨著微細加工技術的不斷進步，以及電信、汽車、生物醫療等行業對於微型設備需求的推動之下，在開發更小、更高效、更高性能的設備上，等離子體深矽刻蝕技術將能發揮關鍵作用。

因此，很有必要通過改進等離子體深矽刻蝕技術技術，來實現更高的縱橫比、以及更精細的特徵尺寸。而這至少將帶來五方面的好處：

其一，更好地實現微型化。

在電子、生物技術、航空航天等領域，微型化是一個「永恒的追求」。

假如能夠實現更小的特徵尺寸、以及更高的長寬比，就能造出更緊湊、更輕便、更強大的設備。

其二，更有利於改進設備功能。

通過實現更精細的特徵尺寸，可以造出更複雜的結構，從而提高設備的功能。

對於微機電系統設備來說這一點可謂尤為重要。原因在於對於尺寸的精確控制，會直接影響設備的傳感性能和驅動性能。

其三，更有利於提高集成密度。

隨著特徵尺寸的減小，人們能在更小的面積上封裝更多的元件，從而提高集成密度。

對於集成電路等應用來說，這意味著能在更小的芯片面積之內集成更多的功能，從而推動計算能力和計算效率的進步。

其四，更有利於提高設備的靈敏度和解像度。

在傳感器和致動器等器件中，通過採用更精細的特徵尺寸，可以提高它們的靈敏度和解像度。

這樣一來，就能實現更精確的測量、以及更精細的控制，從而更好地用於醫療診斷、環境監測和機器作業等領域。

其五，更好地擴展量子應用。

利用更精細的特徵尺寸，能讓納米結構和量子器件的製造成為可能，從而為量子傳感、量子計算和量子通信等領域的應用夯實基礎。

即將回國填補技術空白

據瞭解，徐久帥在德國布倫瑞克工業大學微機電系統傳感器團隊獲得博士學位後，繼續在該課題組從事博士後研究。

多年來，該課題組一直致力於改進等離子體深矽刻蝕技術。

通過發展矽納米結構的先進製程、以及研發矽基微機電系統傳感器技術，他們針對極小尺寸和極高深款比的矽納米加工製造技術開展了一系列的探索。

並針對低溫深矽刻蝕的物理化學機理和動態平衡反應原理加以深入研究。

其發現：基於納米線結構的能量收集裝置，具有較高的比表面積、較高的電子遷移率、較好的抗反射電學性能、以及較好的生物化學兼容性。

而擁有大規模有序垂直排列的矽納米線陣列，是一類新型的三維結構，其具備獨特且優越的光學性能、電學性能、熱學性能、機械性能和化學特性。

基於此，人們開始將其用於新一代的能量收集器和存貯器之中。通過從可再生資源中收集能量，可以幫助那些難以獲得能量的地區獲得電能。

由此可見，能量收集裝置在解決全球能源問題方面具有很大潛力。而基於納米線的能量收集系統，已在此前取得了不錯的進展。

但是，由於納米線的尺寸和相關設備的尺寸都比較大，這給測試和表徵帶來了一定挑戰。

儘管針對能量收集裝置的平均特性，人們已經能夠對其進行測量，但是依舊難以測量單個納米線的性能、與整個裝置的性能之間的定量聯繫和相關性。

在「歐盟地平線和歐洲計量創新與研究聯合項目的支持下，徐久帥所在課題組聯合其他外部團隊開展了合作研究，希望能夠控制基於納米線的能量收集系統的質量。

研究中，他們提出一種名為「混合可追溯計量學」手段。對於由納米材料製成的納米線器件來說，在這種手段的幫助之下，可以對其進行高通量的熱電表徵、納米尺寸表徵、以及納米機電表徵。

進而能夠幫助納米能量採集行業的開發商和製造商，造出更加高效、更加可靠的產品。

另據悉，作為上述研究的主力人員，徐久帥也迎來了職業新動態。不久之後，他即將加入中國科學院上海微系統與信息技術研究所擔任項目副研究員一職。

其表示：「目前國內的同類研究尚處於空白階段，因此我下一步計劃在上海搭建平台，力爭開發新系統和新儀器，將原位實時監測技術集成到低溫等離子體深矽刻蝕技術系統之中。」

同時，他將利用 AI 技術和機器學習技術，動態地調整加工過程參數，希望能夠減少實驗誤差，提高刻蝕品質和結構的一致性。

並將通過 AI 算法打造一款預測大模型，以此來模擬刻蝕條件和襯底材料的物化性質，從而能夠針對不同微納結構實現精準的預測和製造。

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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