2021年“中国机械工程学会会员日”活动 ——极端制造领域优秀科技成果故事宣传【选择性原子层沉积协同制造原理及方法】
来源:本站原创 浏览次数: 发表日期:2021-07-09

为弘扬新时代科学家精神,展示科技工作者风采,中国机械工程学会极端制造分会于2021年“中国机械工程学会会员日”活动期间,开展极端制造相关优秀科技成果故事宣传学习活动,以促进领域内的交流与合作。

本期优秀成果简介

科技成果名称

选择性原子层沉积协同制造原理及方法 

研究主要人员

陈蓉、曹坤、单斌、刘潇

诞生时间

2015年至今

取得的关键技术突破情况

当前制造工艺尺度正从微米、纳米向原子量级逼近,出现了以原子为基本构筑“积木”单元的制造方法,发展自下而上制造策略通过原子操纵与生长,具有先天的制造精度优势,但是面临着缺乏有序可控制造内禀驱动力,对于纳米结构制造的可控性提出了严峻挑战。本课题发展了区域选择性原子层沉积方法,发现表面“自修饰”纳模板辅助的区域选择性沉积制造的形核机理,进一步提出表面能驱动的区域“自定位”生长内禀机制,提升了三维纳米结构在指定区域堆叠生长的可控性。展示了独特的选择性原子层沉积方法在纳米制造中原子级的可控精度,有望助力微电子制造领域减少对光刻依赖,简化工艺流程,提升可靠性。

科技成果的先进性:国际领先

基于在原子尺度协同制造技术上的发展,团队先后在《极端制造》等期刊发表年度最佳论文、封面论文;2016年、2018年两度获得日内瓦国际发明展金奖、特别金奖;2018年湖北省技术发明一等奖;2018年湖北省专利奖银奖等科研奖项,入选2020年中国科协颁布“科创中国”先导技术榜单等。

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团队发表的部分封面论文,发展的选择性ALD方法被科技媒体C&EN封面专栏亮点报道,成果获得湖北省技术发明一等奖,日内瓦国际发明展金奖,“科创中国”先导技术榜单等奖项

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湖北省技术发明一等奖颁奖现场

背景介绍

随着器件的特征尺寸进一步缩小,对准的精度(称为边缘放置误差(EPE))必须处于原子水平,这正成为进一步缩小器件尺寸的主要瓶颈。EUV光刻可以用于某些需要更高分辨率的步骤,但批量生产仍然非常昂贵,且面临禁运封锁等难题。同时,新材料和3D复杂结构对制造技术提出了更严苛的要求。目前,纳尺度自上而下制造方法(如光刻等)正逼近其分辨率极限,每一步提升都极为复杂与昂贵。为促进微纳光/电子器件的尺寸微型化和性能极限化,需发展自下而上的新型制造方法。自下而上的原子尺度协同制造能实现指定区域薄膜材料的区域选择性自对准生长,被认为是纳米制造领域的终极解决方案。作为重要互补的自下而上方法,其制造的内禀驱动规律较为欠缺,可控性和重复性目前还无法满足高精度的规模化制造需求,亟需制造原理和方法上的进一步探索。团队基于原子尺度协同制造的一系列原创成果,填补了国内技术空白,相关研究在国际上处于领先地位。自下而上的原子尺度协同制造方法,有望助力后摩尔时代三维复杂纳结构的高效制造。

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CMOS技术发展趋势对自下而上的区域选择性沉积技术提出了新的需求 (图片选自团队IJEM封面文章Int. J. Extrem. Manuf. 2020, 2, 022002)

研发历程

团队长期在区域选择性原子层沉积(area selective deposition,ASD)领域进行项目研究,团队负责人陈蓉教授在国际上首次提出正性/负性互补的自组装分子模板,实现图形结构的自下而上沉积制造,避免了复杂的high-k 材料的刻蚀步骤,应用于半导体增材制造工艺,提升场效应管通道流动特性、MEMS海量存储芯片长效使用寿命,成果获美国半导体研究协会Simon Karecki青年科学家奖,Frost & Sullivan 奖,受到包括IBM、Samsung等国际同行的认可。代表性工作发表于Adv. Mater. 2006, 18, 1086; Chem. Mater. 2005, 17, 536; Appl. Phys. Lett., 2005, 86,191910等国际期刊。

回国后率领团队在华中科技大学首先开展了原子层沉积方法,发展位点吸附能耦合微反应动力学理论,指导前驱体筛选与工艺优化,提出表面能驱动的选择性沉积方法(Inherent selective deposition),实现了晶面/位点的定位生长和原子精度三维堆叠结构的可控制备;发展了金属互联新材料等原子层沉积工艺;围绕三维纳米孔道的保形制造难题,开发了强制气流扩散的深孔内壁沉积技术,实现纳米孔的原子精度缩孔线性可控。代表性工作发表于Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 1648; Small, 2017, 13, 1700648; Chem. Mater., 2019, 31, 101; Chem. Mater.,2020, 32, 6, 2195等。

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利用自组装模板实现区域钝化实现沉积物质在指定区域沉积,利用前驱体在不同表面吸附能差异实现定向沉积

在科研的同时,团队也非常注重推动ALD方法在制造行业的落地应用,团队研发了原子精度沉积制造工艺技术和配套装备,突破了大比表面积微纳颗粒和大尺寸柔性基底表面的批量化和快速制造装备,并具有自主知识产权。在华为、TCL、华星光电、威孚环保、贵研铂业等行业龙头企业取得应用。与显示行业龙头企业TCL、华星光电合作,基于高精度沉积工艺和装备实现了选择性包覆栅栏结构(Chem. Mater., 2018, 30, 8486; Chem. Mater., 2020, 32, 10653),将发光器件的可靠性提升一个数量级;与尾气净化行业的龙头企业威孚环保合作,实现了核壳、井嵌、栅栏等纳米结构的可控制备和微纳孔道中的一致性制造(Nature Comm. 2020, 11, 4240; J. Catal. 2020, 384, 96; J. Catal. 2019, 373, 351),提升了贵金属纳米颗粒的稳定性,实现了贵金属减量化,应用于汽车后处理系统,实现尾气催化剂的气相制备,打破了国外技术垄断。

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团队开发具有自主知识产权的原子层沉积装备,大比表面积微纳颗粒批量化包覆装备(左)和大尺寸柔性基底快速沉积装备(右)

科技成果的意义及影响

纳米结构的可控构筑涉及到高精度的图案化和堆叠结构对准,目前主要是通过光刻技术,由掩膜版结合光刻胶实现在指定区域的沉积与去除。当涉及到具有如纳米颗粒、三维曲面衬底的图案化和复杂堆叠对准结构,就难以通过光刻方式进行。同时,为了获得更加清晰的堆叠复合结构边缘,提升区域控制精度与自下而上的选择性沉积一直是发展的方向和难点,亟需具有亚纳米精度制造新原理以及表面区域高选择性的修饰方法,实现纳米区域沉积的可控制造。本研究发展的选择性原子层沉积方法填补了国内空白,同时在国际上提出的内禀性驱动实现纳米结构特定晶面实现选择性沉积也属于首次发现。国际ALD Academy创始人、荷兰埃因霍芬理工大学W.M.M.Kessels教授评述:“It has been demonstrated that ALD growth can in some cases be selective to specifics facets of a nanoparticle (referred to as facet-selective ALD), are only the first demonstration of the unique opportunities area-selective ALD provides for bottom-up nanofabrication with atomic level precision.” (提出了对特定晶面选择性生长的晶面选择性原子层沉积方法,首次展示了选择性原子层沉积法在自下而上纳米制造中独特的原子级可控精度)。相关工作受到国际科技杂志C&EN封面专栏亮点报道,与Stanford,IMEC等研究机构一起作为亮点工作指名介绍,ALD Academy创始人Parsons会士评述“我们终于能够兴奋地见证由自上而下到自下而上这一创新方法转变的出现”,“由华中科技大学团队(the HUST team)提出的选择性ALD技术有望助力于微电子领域”。相关论文也受到比利时IMEC、韩国Samsung、Hynix、日本东电TEL等研发人员的关注与引用。基于相关研究工作在华为、华星光电、中国航天科技集团等取得应用。

研发团队简介

团队人员情况

团队负责人,陈蓉教授,973青年首席、新世纪优秀人才支持计划入选者,博士生导师,华中科技大学柔性电子研究中心副主任、机械科学与工程学院院长助理、光学与电子信息学院双聘教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所客聘研究员。担任国际ALD大会执行委员会委员、国际ALD应用大会暨首届亚洲ALD大会主席、Nature 旗下 Scientific Reports 期刊编委、中国工程院院刊《Engineering》特邀青年通讯专家、电气电子工程师学会IEEE Senior Member (纳米技术委员会)、美国真空学会(AVS)、美国电化学学会(ECS)、美国化学学会(ACS)、美国材料研究学会(MRS)、美国物理学会(APS)等国际学会会员,Appl. Phys. Lett., J. Appl. Phys., ACS Nano, Chem. Mater., J. Phys.Chem., Langmuir, Appl. Surf. Sci.等期刊审稿人、Elsevier出版社书本计划审稿人等。其他社会兼职包括中国人民政治协商会议第十一届、第十二届湖北省委员会委员、欧美同学会总会理事、武汉市欧美同学会副秘书长、湖北省政府办公厅特邀督查员、武汉市侨联第十届委员会顾问等。

研究方向、代表性研究成果和获奖情况

主要研究方向为微纳制造工艺与装备,研究重点围绕着选择性原子层沉积方法、纳米颗粒改性、薄膜工艺与设备开发、柔性光电器件制备等展开,在Nat. Comm., Adv Mater, Angew. Chem. Int. Ed, Small, Engineering, Sci. Bullet., IJEM,OEA等国内外期刊上发表论文130余篇,申请发明专利80余项,授权50余项,包含9项国际专利。先后荣获德州仪器微电子领域女性领袖奖、半导体研究协会Simon Karecki奖、中国侨界“创新人才”贡献奖,日内瓦国际发明展评审团特别嘉许金奖、金奖、湖北省技术发明一等奖等十余项国内外奖项。

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团队负责人陈蓉教授

团队主要成员

单斌,华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、材料科学与技术系系主任。清华大学获得物理学学士学位,美国斯坦福大学获得应用物理硕士、博士学位,电子工程辅修博士学位。教育部新世纪优秀人才支持计划获得者,湖北省杰出青年基金获得者,中国稀土学会催化专业委员会委员,中国科协先进材料学会联合体青年工作委员,美国材料学会、电化学学会会员。主要研究方向包括微纳尺度上的材料设计与选择性原子层沉积理论计算。在国际权威杂志发表论文100余篇。申请发明专利50余项,授权20余项,包括2项国际专利。主编撰写了“十二五”国家重点图书《材料学的纳米尺度计算模拟:从基本原理到算法实现》。单斌教授长期担任国际权威期刊的审稿人,中国NSFC通讯评审专家。

曹坤,华中科技大学机械学院副教授,主要研究方向为微纳制造领域,包括选择性原子层沉积制造工艺,集成型薄膜制备与原位表征装备研发等,提出了前驱体本征键合能和位点吸附能共同驱动的“自定位”生长机制,首次展示了晶面选择性ALD方法,应用于柔性显示电子、环境催化等,与华为、华星光电等行业龙头企业建立合作。相关研究成果得到美国真空协会AVS,国际科技杂志C&EN封面专栏报道。授权国家发明专利十余项。主持国家自然科学基金1项,作为项目骨干,参与了973国家重大科学研究计划,国家自然科学基金重点项目等。

刘潇,华中科技大学机械学院讲师,主要从事粉末原子层沉积方法、装备和应用的研究工作,入选博士后创新人才支持计划,获中国硅酸盐学会优秀博士论文提名奖、湖北省优秀学士学位论文、国家奖学金等荣誉。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目一等资助,作为骨干成员参与国家重大科学研究计划青年科学家专题、国家自然科学基金重点项目等。相关研究应用于航空航天、能源环境、发光显示等领域微纳粉末材料的表面功能化改性。

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课题组师生合影

团队主持各类国家级重点项目40余项,包括国基金重点项目、国家重大科学研究计划(973)青年项目等,总科研经费超过5000万。团队聚焦于材料微纳制造与应用的跨学科、多尺度研究,涉及机械、材料、能源、计算机、光电子等学科,主要包括基于原子层沉积的纳尺度制造技术、柔性微/光电子器件的设计制造、材料微纳尺度模拟与大数据技术、能源环境纳米催化研究、面向生物医疗的3D打印技术。团队充分发挥了跨学科优势,在基础科研创新和产业应用方面都取得了丰硕的成果,部分科研成果成功实现规模产业化,与英特尔公司、华为、TCL集团、华星光电、无锡威孚集团、中国航天科技集团、贵研铂业等龙头企业保持着长期紧密的合作关系。团队中参与本项目的学生还包括:蔡佳明博士(已毕业)、周彬泽博士(已毕业)、李易诚、张净铭等。


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