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氧氟“化学微调”助力下一代高性能芯片制造
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普林斯顿大学牵头的一项最新研究显示，通过在特定二维材料表面引入微量氧或氟涂层，可以显著提高等离子体刻蚀过程的可控性，有望推动更小、更快、更节能的新一代计算机芯片制造。该成果发表于《物理化学快报》，为在传统硅工艺基础上引入超薄新材料提供了关键工艺手段。
当今商业芯片已在方寸之间集成数十亿个硅晶体管，但硅材料在尺寸缩小和性能提升方面正逐渐逼近物理极限。为延续摩尔定律的演进，科研界将目光投向一类超薄的过渡金属二硫属化物（TMD），希望其与硅协同工作。其中，二硫化钼（MoS₂）仅有三层原子厚度，成为备受关注的候选材料。
要在芯片结构中有效整合TMD材料，制造环节往往需要精确移除表面最上方那层硫原子，同时保持下方钼层完好。目前常用的等离子体刻蚀工艺面临巨大挑战：等离子体中离子能量存在分布，能量稍低则硫原子去除不净，能量稍高又会破坏钼层，工艺窗口极其狭窄。
此次研究团队通过大规模计算机模拟，找到了一种“化学助攻”方案：在进行等离子体处理前，先用氧或氟对二硫化钼表面进行功能化涂覆。模拟结果表明，这一额外步骤显著放宽了安全工艺窗口，使得选择性去除顶层硫原子更易实现。
数据显示，在未经处理的二硫化钼表面，移除一个硫原子约需30电子伏入射能量；预先覆盖氟元素后，能量门槛降至约10电子伏；改用氧元素涂层则降至约14电子伏。与原始情况下“去硫”和“打穿钼层”能量相近不同，氧或氟涂层使硫原子脱离能量与损伤阈值之间拉开更大间距。
研究指出，新策略的关键在于“让化学反应来帮忙”。当高速离子撞击覆盖氧的MoS₂表面时，氧原子与硫原子结合生成二氧化硫气体，该分子在热力学上稳定，更容易从表面脱离。类似地，氟涂层则生成含硫-氟键的中间化合物，比原始S-Mo键更易断裂。论文第一作者Yury Polyachenko表示，他们通过功能化生成“更好切”的中间产物，再以较低能量将其移走。
研究团队下一步计划量化不同工艺条件下产生的具体缺陷类型和密度，为工业界提供操作指南。此外，他们还将探索将这一思路扩展至钨、硒等更广泛的材料体系。该研究由美国能源部科学办公室资助，并在普林斯顿等离子体物理实验室及国家能源研究科学计算中心等设施完成。
