浙江大学赵俊杰AFM：前驱体异构化驱动的SiOC薄膜 \"自对准\"原子级制造

纳米人

2026-04-09

集成电路持续微缩化过程中，光刻的层间套刻控制已成为制造中的核心挑战之一——器件中每一层结构必须与前一层精确对准。在3纳米及更先进节点，误差容限已收紧至特征尺寸的六分之一以下¹，正逼近传统光刻技术的极限。光刻的套刻误差正引发日益严重的边缘放置误差（EPE）问题，这些问题易导致介电击穿和器件失效（图1），已成为影响先进制程良率的关键瓶颈。

图1 由光刻套刻误差导致的边缘对准偏差问题已严重影响先进节点的良率

发展“自对准”非光刻的图案化方法，旨在通过工艺本身实现图案化、与现有结构自动对准，有望突破上述瓶颈。区域选择性沉积（ASD）旨在选择性地在特定材料表面生长薄膜，是一种极具潜力的“自对准”方案^3-5。然而，在较长的沉积过程中长时间保持高选择性仍然是ASD方法面临的主要挑战。基于表面性质固有差异的ASD方法在非目标表面成核延迟结束时，往往会发生选择性丧失。虽然使用自组装单层、小分子抑制剂、和聚合物抑制剂进行表面修饰可以延长成核延迟，但在长时间ASD过程中，当吸附的前驱体穿透钝化层中的缺陷时，选择性丧失仍然不可避免。

间歇性地在ASD工艺中引入蚀刻步骤已被报道能有效去除非目标表面上的成核位点，从而保持选择性——即非目标表面的形核位点/薄膜通过刻蚀步骤被清除时，目标表面的薄膜在相同刻蚀速率下得以部分保留。不过目前该方案需满足前提条件：目标表面沉积速率必须大于非目标表面。截至目前，由于缺乏能够放大非目标表面上薄膜蚀刻速率的方法，对于非目标表面沉积速率高于目标表面的情况，通过引入间歇性刻蚀而实现和保持长时间选择性仍然缺失极其困难。

浙江大学赵俊杰团队在该研究中提出了一种基于前驱体异构化诱导刻蚀增强的SiOC区域选择性沉积策略（图2）⁶，突破了ASD领域中非目标表面沉积速率必须小于目标表面这一限制。该策略利用了硅氧烷前驱体在不同表面上的反应差异：在CoO_x表面发生瞬时环开环反应，易被刻蚀清除；而在SiO₂表面则发生自由基聚合反应，最终作为SiOC薄膜保留在目标区域。

图2 硅氧烷前驱体在SiO₂和CoO_x表面的反应过程

研究团队通过原位DRIFTS技术捕捉到V₃D₃前驱体在CoO_x表面的开环反应。值得注意的是，开环反应显著提高了薄膜的等离子刻蚀速率。因此，在ASD过程中，尽管原位QCM表明薄膜沉积步骤中非目标表面（Co/CoO_x）吸附/沉积量高于目标表面（SiO₂），但刻蚀增强使O₂/Ar等离子体在每个ASD循环中都能将CoO_x表面的吸附物种完全清除，而SiO₂表面得以部分保留并转化为SiOC薄膜，实现目标表面的选择性沉积（图3）。

图3 V₃D₃前驱体在CoO粉末表面的反应过程及区域选择性沉积原位监测

最终，研究团队在预图案化Co/SiO₂基底上实现了近100%的SiOC薄膜选择性沉积，膜厚达18.66 nm。AFM、TEM等表征结果一致证实SiOC薄膜在SiO₂区域生长均匀致密，而CoO_x区域几乎无沉积（图4）。该研究报道的SiOC薄膜“自对准”原子级制造方案，不仅为ASD领域提供了新思路，还有望应用于存储器、先进逻辑芯片、集成光子学、柔性电子及能源存储等制造领域，具有重要的研究意义。

图4 Co/SiO₂微纳结构样品实现SiOC薄膜的区域选择性沉积

相关成果发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202528933)。第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士生黄晓程，通讯作者为浙江大学化学工程与生物工程学院长聘副教授赵俊杰。该工作还得到了浙江大学罗英武教授、李正龙教授的支持。该研究获得了国家自然科学基金、教育部学科突破先导项目、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划、中央高校基础研究经费等支持。

赵俊杰，浙江大学长聘副教授，博士生导师，化学工程与生物工程学院副院长。入选国家高层次青年人才、浙江省杰青。2011年于浙江大学获化工、英语双学位，2016年于美国北卡罗莱纳州立大学获化工博士学位，2016-2018年在MIT化工系开展博士后研究。2018年入职浙江大学，2024年晋升长聘副教授。主要从事面向电子薄膜材料的表界面化学工程研究，建立了可柔性集成的褶皱薄膜合成方法、区域选择性原子级制造等。近五年以通讯作者发表于Science、Angew. Chem. Int. Ed.、Prog. Polym. Sci.、Adv. Funct. Mater.等国际知名学术期刊。作为亚洲高校首位获奖者获得美国真空学会薄膜分会Paul Holloway青年科学家奖(每年全球遴选1人)。曾担任第十届中国原子层沉积会议大会组织主席，2025年当选美国真空学会薄膜分会主席。

浙江大学化学工程与生物工程学院赵俊杰课题组，现面向海内外长期招聘博士后、科研助理与工程师，我们诚挚邀请有志于前沿科学探索的青年才俊加盟。团队长期致力于先进薄膜材料的微纳制造研究，涵盖原子级制造、表界面工程、膜分离、柔性器件等。

课题组网站：

http://www.junjiezhao.com/

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参考文献：

(1) Area-selective deposition (ASD): a bottom-up fabrication paradigm to enable nanoscale structures. imec.

https://www.imec-int.com/en/work-at-imec/job-opportunities/area-selective-deposition-asd-bottom-fabrication-paradigm-enable

(2) Wang, X.; Luo, X.; Du, W.; Shen, Y.; Huang, X.; Yang, Z.; Zhao, J. Remote plasma enhanced cyclic etching of a cyclosiloxane polymer thin film Int. J. Extreme Manuf. 2024, 6(5), 055101.

https://doi.org/10.1002/smll.202502586.

(3) Qiu, M.; Du, W.; Zhou, S.; Cai, P.; Luo, Y.; Wang, X.; Yang, R.; Zhao, J. Recent Progress in Non-Photolithographic Patterning of Polymer Thin Films. Prog. Polym. Sci. 2023, 142, 101688.

https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101688.

(4) Shen, Y.; Qiu, M.; Huang, X.; Du, W.; He, X.; Luo, Y.; Yang, Z.; Zhao, J. Photocatalytic Surface Initiation for Area-Selective Chemical Vapor Deposition of Polymer Thin Film. ACS Mater. Lett. 2024, 6(9), 4058–4065.

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01024.

(5) Shen, Y.; He, X.; Meng, W.; Huang, X.; Cai, P.; Yang, Z.; Du, W.; Zhang, X.; Luo, Y.; Zhao, J. Visible-Light-Driven Sustainable Chemical Vapor Deposition of Polymer Films and Patterns. Small 2025, 21(23), 2502586.

https://doi.org/10.1002/smll.202502586.

(6) Huang, X.; Du, W.; Wang, X.; Cai, P.; Shen, Y.; Wei, B.; Zhao, Q.; Li, C.; Liu, D.; Yang, Z.; Luo, Y.; Li, Z.; Zhao, J. Ring-Opening of Cyclosiloxanes Induced Etching Amplification for Area Selective Deposition of SiOC Films Adv. Funct. Mater. 2026, in press.

https://doi.org/10.1002/adfm.202528933.