先进微纳加工中心始建于2005年9月。历经二十年建设与发展，中心已建立起覆盖薄膜沉积、光刻、刻蚀、封装、抛光及测量测试等半导体全工艺流程的设备体系。作为开放式科研服务平台，中心始终以科研需求为导向，持续完善工艺能力，最大限度地发挥设备价值，不仅为校内各研究单位和学院提供微纳加工服务，也面向外部科研机构、高校及企业开放共享。在先进微电子器件制造中，高保真度的图案转移（即刻蚀工艺）至关重要。随着器件特征尺寸逐步缩减至亚10纳米级别，以及超薄二维材料等新型结构的广泛应用，对刻蚀工艺在原子尺度上的精度与控制提出了更高要求。不仅光刻环节需要极高的图形分辨率，刻蚀过程中的深度控制也已成为影响器件性能的关键因素。

与传统刻蚀技术相比，原子层刻蚀采用循环进行的表面改性-剥离机制，通过分步通入反应气体，实现了原子级精度的材料去除与出色的工艺可控性。它有效克服了传统各向同性或各向异性刻蚀中常见的过刻蚀和底层损伤问题，同时展现出优异的三维结构适应性以及高选择性，从而突破了传统连续刻蚀技术在原子尺度保真度方面的限制。

自我校仪器设备开放共享基金项目启动以来，中心致力于攻克研究课题中的工艺难点，减少研究人员在工艺探索阶段的障碍，使其更专注于器件设计与前沿研究。通过关键工艺的突破，显著提升了研究人员在器件设计上的自由度。该项目从广大用户的实际需求出发，重点聚焦于刻蚀精度提升，成功将刻蚀精度控制水平由纳米级推进至原子级（埃级），实现了一项重大技术突破。在学校仪器设备开放共享基金的支持下，项目成功开发了面向多种材料的原子层刻蚀（ALE）全流程工艺。所有相关工艺参数及实验数据均向设备用户开放共享，并提供工艺开发技术支持，助力研究团队实现高质量的微纳加工需求。

大仪共享赋能工艺创新：实现原子级精度刻蚀新突破

中心在刻蚀设备对外开放共享服务中中，多次收到关于刻蚀精度不足的反馈，及刻蚀表面低粗糙度的需求，这就需要多次重复刻蚀以达到理想的工艺效果。对于这些集中的瓶颈难题，依托于仪器设备开放共享基金，中心组织了光刻，镀膜和刻蚀方向的工程师一起攻关研究，在平台设备上开发了原子层刻蚀工艺。

原子层刻蚀是一种自限制性，高精度的刻蚀技术。如图一所示，通过多个循环刻蚀的方式进行材料去除，每一个循环分为以下四个步骤：

（1）表面改性：通入极短时间的反应气体，吸附改变表层原子特性，一般是由反应气体在较低或者没有偏压情况下与表层原子反应；

（2）将多余气体和副产物排出，停止反应气体的通入；

（3）表层原子的去除：通过低能量氩气将表面改性后的原子去除，能量过高会造成额外损伤，造成过刻蚀，过低则会难以剥离或去除不充分；

（4）将刻蚀产物排除并为下一次循环提供高真空环境。理想ALE工艺过程，每一个循环周期去除约一层原子。

图1 原子层刻蚀工艺示意图

通过原子层刻蚀工艺可以实现高精度深度控制；相较于传统刻蚀，对刻蚀面损伤小，避免由于深宽比较大或者边缘区域等造成的负载效应，刻蚀深度均匀。每个循环刻蚀速率稳定在一到两个埃，通过调整循环次数，可以获得良好的精度控制和表面粗糙度。

共享设备与工艺，破解产业关键难题

在设备相关工艺开发后，中心接到了某科研院所的委托，需要完成刻蚀深度为10nm的超高精度测试样片。以111晶相的硅片，10个循环刻蚀约1.03 nm，100个循环刻蚀约10.64 nm。图2为硅片表面原子力显微镜图像和测试结果。

图2 硅片表面图像和表面测试数据

后期依托项目成果为中科院下属机构加工完成了厚度仅为1nm氧化铝薄膜测试样品制作，定制化的高精度的测试样品往往难以找到合适的代工机构，且样品报价较高，图3为氧化铝薄膜原子力显微镜图像和测试结果。

图3 氧化铝薄膜表面图像和表面测试数据

本项目完成了硅材料、氧化铝材料的原子层刻蚀工艺开发并完成样品测试，实现了均匀低速率低损伤的刻蚀，并撰写了指导文档，对基于等离子刻蚀设备的原子层刻蚀工艺提供可靠的流程框架，对气体参数和工艺流程的优化提供指导。项目给中科院下属机构的重大仪器专项完成了测试样品制作，减少了其测试样品采购费用，为半导体产业在线监测用的高端光学仪器国产化的校准提供助力；为科研院所和仪器设备公司提供了高精度标准样品，用于原子力显微镜和白光干涉仪校准。项目将工艺方法共享给武汉光电国家研究中心，集成电路学院和机械学院多个课题组，依其需求开发了磷化铟，碳化硅，氧化硅等材料的刻蚀程序，满足了研究课题的高精度和低损伤的刻蚀需求。新材料原子层刻蚀工艺开发时间由原来两到三周到现在一到两次刻蚀调试即可使用，而硅和氧化铝材料可直接使用标准工艺程序。

项目实施过程中通过工艺路线的创新，显著提升了设备本身的刻蚀精度，在同一设备上，由原来纳米级的刻蚀精度提高到国际一流的原子级刻蚀精度。在当前诸多先进工艺设备面临采购受限的背景下，该工艺为突破半导体制造链条中的关键技术瓶颈提供了新途径，通过实验方法创新，其工艺参数在国产设备上同样可以实现，减少对进口设备与技术的依赖。