图 液体环境中纳米气泡加速金刻蚀的示意图a、透射电镜实验图b和反应机理图c

在国家自然科学基金项目（批准号：51420105003、11327901、1525415）等资助下，东南大学孙立涛教授团队及合作者在可视化原子尺度制造原理及工艺方面取得进展。相关研究成果以 “气体类遂穿效应加速固-液-气三相反应（Solid-liquid-gas reaction accelerated by gas molecule tunneling-like effect）”为题，于2022年5月26日发表在《自然?材料》（Nature Materials）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01261-x。

湿法刻蚀广泛应用于半导体制造等重要领域，但湿法刻蚀方向选择性有限，很难得到尺寸精确可控的微纳结构。而当前7 nm、5 nm等先进晶体管器件对于内部金属、半导体和介电层等结构的几何尺寸具有亚纳米级的严苛精度要求。微纳尺度的固-液-气反应是集成电路湿法刻蚀制造中的基本物理化学过程，在大气腐蚀、生物有氧呼吸、光催化、燃料电池等自然界和工业界也广泛存在。由于在纳米尺度追踪三相界面的演变非常困难，所以一直缺乏对反应动力学的定量分析和对三相界面处气体传输机制的准确理解。

孙立涛教授团队基于自主搭建的原位电子显微学系统，实时观察了纳米气泡可显著加速（~20倍）湿法刻蚀的全过程，从原子尺度揭示了刻蚀过程中完整的固-液-气三相反应机制。研究团队通过实验发现仅当纳米气泡与固体之间的距离小于临界尺寸（~1 nm）时，刻蚀速率才显著提升（一个量级以上）；否则，刻蚀速率几乎不变。结合大量实验定量分析和分子动力学模拟，提出范德华力诱导的气体分子“类遂穿”效应是加速刻蚀反应的主要原因，对日常生活中常见的各类三相反应现象的准确理解提供了实验依据。该成果有望大幅提升湿法刻蚀技术在刻蚀方向、尺寸的可控性，为建立工艺参数-结构尺寸模型，加速工艺研发提供基础支撑作用，也为未来微纳加工领域提供了一种新技术。