精确调控纳米级薄膜！分子层刻蚀新技术，有望变革半导体制造方式
真空Vacuum2020-03-06 15:33
当今，很多技术的核心之处就在于半导体器件。随着摩尔定律走向极限，十分有必要寻找一种新的方法，将更多的电路封装到单个设备中，以提高设备的计算速度和性能。
阿贡国家实验室化学家Jeff Elam（左）和Anil Mane（右）及其同事进行分子层刻蚀。图/阿贡国家实验室
近日，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员开发出一项新的技术，可能会有助于制造这种尺寸越来越小、但结构和功能越来越复杂的器件。这项技术称为分子层刻蚀（molecular layer etching, MLE），相关论文已在Chemistry of Materials杂志发表。
为了将微电子器件造得更小，制造商必须把越来越多的电路塞进更小的薄膜和3D结构中，现如今是用薄膜沉积和刻蚀技术来实现的，这种技术可以一次生长或去除一层膜。不过，在纳米层面控制物质，受到添加或除去薄膜材料的手段的限制。而分子层刻蚀则可以让制造商和研究者精确地去除微观和纳米级薄膜材料。
分子层刻蚀与分子层沉积（MLD，一种沉积技术）一起，可以用于设计微观器件的结构。这跟原子层沉积（ALD）和原子层刻蚀（ALE）的方法类似，ALD和ALE是制造微电子器件最常用的技术。然而，与仅适用于无机薄膜的原子层沉积不同的是，分子层刻蚀和分子层沉积也能用来生长和去除有机薄膜。
工作原理
分子层刻蚀的工作原理，是将几纳米或几微米厚的薄膜暴露于真空室内的气体脉冲中。该过程中，最开始时，一种气体（气体A）进入真空室，立刻与薄膜表面反应。然后，将薄膜暴露于第二种气体（气体B）中。重复这一过程，直到从薄膜上去除期望的厚度为止。
Jeff Elam解释说：“A和B共同作用的结果即是去除薄膜上的分子层。如果一直重复这一流程，你就能让薄膜达到最终理想的厚度。”
分子层刻蚀的一个关键之处，是A和B的表面反应是自限制的。只有在所有可用的活性表面位点被消耗完之后，它们才会继续进行。这种自限制性的特点非常有利于微电子器件的制造，因为它会相对容易地将这一工艺扩展到更大的基板尺寸上。
研究人员用芦荟酮（一种类似于硅酮橡胶的有机材料）测试了这种新方法，发现它在柔性电子领域具有应用潜力。实验中的气体A是含锂的盐，气体B是三甲基铝（TMA），后者是一种有机金属铝基化合物。
在刻蚀的过程中，锂化合物以“使锂黏附于薄膜表面、并破坏薄膜上的化学键”的方式，与芦荟酮薄膜的表面发生反应。然后，通入TMA并与之反应后，就会去除含锂的膜层。该过程就可以一层一层地持续进行，如果有必要的话，甚至可以把这个材料这样去除掉。
打开微电子学新的大门
利用这项新的技术，可以帮助制造商和研究者，走上制造和控制纳米级材料几何形状的新途径。对他们来说，该工艺也可能是一个更安全的选择，因为它不含有卤素。而且，该工艺还具有“选择性”这一优点，这种刻蚀技术可以选择性地去除MLD层，而不会影响到附近的ALD层。研究人员表示，这项技术有可能会为微电子学打开一扇新的大门。
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