上海交大劉智崑《Additive Manufacturing》：3D?打印單晶硅！

在微納尺度實現半導體材料的3D打印一直是增材制造領域的“圣杯”。然而，傳統的激光加工技術往往只能得到多晶或非晶結構的硅，難以滿足高性能半導體器件對單晶材料的嚴苛要求。

近日，上海交通大學機械與動力工程學院劉智崑副教授團隊在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上發表重要成果，他們利用液態硅烷前驅體，結合激光直寫技術，成功實現了全單晶硅納米結構的快速增材制造，且特征尺寸突破了光學衍射極限。這一技術擺脫了對光刻機及電子束直寫設備的依賴，為無需掩模、低成本制造三維半導體器件開辟了新路徑。

該工作以“Laser direct writing of single-crystal silicon nanostructures from liquid cyclohexasilane”為題目。上海交通大學劉智崑副教授為通訊作者，博士生楊興潔為第一作者，合作者包括陳平工程師。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042500394X

圖1. “液態前驅體+激光直寫”：單晶硅的3D生長示意圖。

該研究采用環己硅烷（CHS）作為液態前驅體。相比傳統氣相沉積（CVD）使用的甲硅烷，CHS具有更弱的Si-Si鍵（鍵能低）和更高的硅含量，使其能夠在較低溫度下（~200-300°C）快速分解。

團隊利用532 nm納秒脈沖激光作為熱源。由于液態CHS不吸收該波長的激光，激光直接穿透液體加熱硅襯底。這種獨特的 “液層透射-界面加熱”模式，將高溫反應區局限在襯底上方極薄的納米層內，從而誘導硅原子嚴格按照襯底晶格排列，實現外延生長。該過程無需引入金屬顆粒或其他催化劑。

圖2. 垂直硅柱的TEM表征：完美的單晶結構。

透射電子顯微鏡（TEM）和選區電子衍射（SAED）結果顯示（圖2），打印出的硅柱內部完全無晶界，晶格條紋與襯底無縫銜接。無論是在(100)、(110)還是(111)晶向的襯底上，打印結構均完美繼承了襯底的晶體取向，證實了真正的單晶3D打印。

圖3. 亞波長尺寸及高速生長。

微納制造突破：更小、更快

突破衍射極限：利用激光能量的高斯分布特性和邊緣擴散限制效應，團隊在2.2 微米的光斑下，實現了寬度僅為230 nm的硅線和直徑280 nm的硅柱，特征尺寸小于激光波長（ 532 nm ）。

高速生長：通過提高激光脈沖頻率，垂直生長速率可線性提升至2900 nm/s，這一速度得益于 CHS 分子獨特的 “ 協同反應機制 ” ，有效降低了表面反應能壘。

總結

該研究提出了一種基于液態前驅體的激光直寫新方法，成功克服了傳統激光加工中容易產生多晶/非晶缺陷的難題，實現了單晶硅納米結構的高效、高精度增材制造。這項技術擺脫了對光刻機及電子束直寫設備的依賴，無需昂貴的掩模版或超高真空環境，即可在芯片上原位構建具有特定晶向的單晶硅納米結構。這為未來三維集成電路（3D IC）、微納機電系統（MEMS）以及新型光子芯片的定制化、低成本制造提供了全新的技術平臺。

通訊作者簡介：

劉智崑（通訊作者）：上海交通大學機械與動力工程學院副教授。2015年博士畢業于美國普渡大學工業與制造工程專業。博士論文是關于激光誘導納米制造技術。博士畢業后回國加入華南理工大學，研究領域是氮化鎵晶體管的設計與新制程技術。2019年加入上海交通大學機械與動力工程學院，專注硅基集成電路的新制程及新設備研發。目前具體研究包括選區外延及原子制造，新型硅前驅體，集成多針尖原子力顯微鏡設備等等。劉智崑副教授已在電子類，制造類，物理類，化學類多個學科的國際頂尖期刊上發表原創性工作，致力于通過跨學科創新解決集成電路先進制程中的關鍵問題。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。