金离子注入辅助硅选择性刻蚀：可行性研究与纳米加工能力突破

为解决传统聚焦离子束(FIB)铣削加工硅纳米结构时存在的高离子通量、长加工时间和污染等问题，研究人员创新性地采用金离子(Au+)注入结合TMAH湿法刻蚀技术，实现了36 nm线宽、20 nm厚度的高纵横比硅纳米线制备。该研究通过SIMS和TRIDYN模拟确定了3.5×1020 atoms/cm3的金浓度阈值，为NEMS和量子器件提供了高效纳米加工新方案。

　　

在半导体器件微型化的浪潮中，硅纳米加工技术正面临前所未有的挑战。传统聚焦离子束(FIB)铣削虽然能实现纳米级精度，但高达10¹⁷ ions/cm²的离子通量不仅导致加工效率低下，还会引发材料再沉积和污染等问题。更棘手的是，这种方法难以制备超薄悬浮结构——这正是量子器件和纳米机电系统(NEMS)亟需的关键组件。

来自德国的研究团队在《Micro and Nano Engineering》发表的研究中，开创性地将液态金属合金离子源(LMAIS)产生的金离子(Au⁺)应用于硅纳米加工。他们采用35 keV金离子注入结合四甲基氢氧化铵(TMAH)湿法刻蚀的协同策略，通过精确控制1×10¹⁵-1×10¹⁷ ions/cm²的离子通量窗口，成功突破了传统技术的局限。

研究主要运用了三种关键技术：聚焦离子束-扫描电镜(FIB-SEM)联用系统进行金离子图案化注入，二次离子质谱(SIMS)分析金原子三维分布，以及TRIDYN蒙特卡洛模拟预测离子注入动力学。通过设计5×5 μm²的测试阵列，系统评估了不同离子通量下的刻蚀选择性和结构完整性。

在结果部分，3.1节揭示了金离子注入的三大效应区间：低于1×10¹⁵ ions/cm²时仅产生刻蚀延迟；1×10¹⁵-1×10¹⁷ ions/cm²形成稳定刻蚀阻挡层；超过该阈值则引发显著溅射效应。3.2节通过SIMS深度剖析发现，TMAH刻蚀会精确停止在Au浓度3.5×10²⁰ atoms/cm³的临界位置，这一结果与TRIDYN模拟预测高度吻合。最具突破性的3.3节展示了单像素线(SPL)模式加工的悬浮硅纳米线——最小宽度36 nm、厚度20 nm、长度8 μm的惊人指标，其长厚比突破400:1，且能构建占空比低至2%的纳米网格结构。

讨论部分指出，相较于传统镓离子注入，金离子更浅的注入深度为制备超薄悬浮结构提供了可能。虽然当前干燥工艺导致的纳米线粘连问题限制了200 nm以下间距的实现，但采用临界点干燥技术有望进一步突破这一限制。这项研究不仅为NEMS谐振器和量子器件提供了新的加工范式，其揭示的浓度阈值效应更为多元素离子注入研究开辟了新方向。未来通过退火工艺优化，这些金掺杂硅纳米线可能展现出独特的电学特性，为CMOS工艺集成带来新的可能性。