知识类分享——洗不干净？“钝化优先”策略

在二维半导体（2D Materials）的狂飙突进中，我们听惯了这样的叙事： MoS₂的迁移率/开态电流又有重大突破，1nm 节点的续命药丸已经找到。但当原本存在于 PPT 里的器件真正走向产业界最严苛的 GAA（全环绕栅极） 架构时，工程师们撞上了一堵看不见的墙：我们费尽心机长出了完美的“半导体”，却找不到一块能配得上它的“绝缘体”。

硅的成功，一半归功于 SiO₂这个完美的天然氧化层。而二维材料表面光滑如镜（无悬挂键），不仅长不上介质，一旦接触空气和光刻胶，表面瞬间沦为“垃圾场”。产业界的最新共识正在形成：企图把污染洗干净是徒劳的。唯一的出路，是在污染发生之前，就把它“封印”起来。这就是我们今天要聊的，可能改写二维芯片制造流程的——“钝化优先策略”。 虽然像北大彭海琳团队利用‘原生氧化’技术（如将材料表层转化为高品质氧化物）实现了突破，但这通常需要消耗部分沟道材料，且对材料种类有特殊要求。对于未来主流的极薄单层（Monolayer）GAA 晶体管而言，我们舍不得牺牲任何一层原子，因此，‘钝化优先’的无损封装依然是通用性最强的终极解法。”

01 传统困局：先污染，后治理的死循环

在传统的工艺流程中，二维材料就像一个在那“裸奔”的孩子：

1. 生长材料
2. 接触大气（吸附水氧）
3. 涂胶光刻
4. 痛苦的清洗（试图去除胶残留）
5. 沉积介质

这在 GAA 结构中简直是灾难。

• 洗不干净： 原子级薄膜不敢用强酸强碱，有机残留物（Residue）像牛皮癣一样吸附在表面，成为散射中心，器件性能直接腰斩。
• 结构坍塌： 对于悬空的纳米片，湿法清洗的液体张力会直接把脆弱的沟道拉断或粘连（Stiction）。

只要你让二维材料“出门”见到了空气和光刻胶，这场游戏就已经输了一半。

02 观念革命：钝化优先 (Passivation-First)

“钝化优先”的核心逻辑极其简单粗暴：既然洗不干净，那就永远别让它脏。这不仅仅是一个步骤的调整，而是制造范式的转移：从“做减法”（清洗杂质）转向“做加法”（原位封装）。它的“三位一体”策略：

1. 不出炉： 在材料生长完成后，绝对不破真空。
2. 穿盔甲： 立刻沉积一层超薄、高质量的“功能层”（0.5nm ~ 1nm）。
3. 再加工： 此后的光刻、刻蚀、搬运，所有的污染都只停留在“盔甲”上，永远触碰不到底下的二维晶格。

这层“盔甲”不仅是保护层，更是后续 High-k 介质生长的成核层（Seed Layer），完美解决了 ALD 在二维表面“长不上去”的难题。

03 硬件核心：构建真空互联系统 (Vacuum Cluster System)

要实现“钝化优先”，传统的单机设备（Stand-alone tools）已经无能为力。实验室和产线必须构建真空互联系统（Vacuum Cluster System）。这不是简单的把设备连起来，而是需要精密的“生长-钝化”握手策略：

建议配置架构

• Chamber A (生长舱)： MOCVD 或 CVD，负责生长高质量沟道材料，需具备高温控制能力。
• Transfer Module (传输中枢)： 配备超高真空（UHV< 10^-9）和机械手。关键点： 必须具备冷却功能，防止高温样品在传输中释放气体或发生意外反应。
• Chamber B (钝化/沉积舱)： ALD 或 E-beam Evaporator（电子束蒸发）。这里是穿“盔甲”的地方。

关键工艺策略 (Critical Strategy)

1. 热预算匹配： 二维材料生长通常在 700℃+，而 ALD 钝化通常在 200℃-300℃。样品在传输过程中必须经历受控的原位降温，避免热冲击，同时不能在降温过程中吸附传输腔体壁上的残留气体。
2. 界面气体清洗： 即使在真空下，也建议在 Chamber B 进行极短时间的远程氢/氮等离子体（Remote Plasma） 吹扫，确保界面达到原子级洁净。
3. 原位监控： 必须配备原位 XPS 或拉曼光谱，在不接触空气的情况下验证“盔甲”是否覆盖完全。

04 实战范本：产业界怎么做？

目前在顶级期刊（Nature Electronics/IEDM）中，基于真空互联的“钝化优先”主要有三条路径：

路径一：金属氧化法 (The Metal-Oxidation Route) —— 最具量产相

·操作： 长完沟道材料，传送到金属舱，蒸镀 0.5nm 的 Al (铝) 或 Mg (镁)。

·原理： 金属对二维材料润湿性好，能铺平。拿出真空后，这层极薄的金属会自然氧化成致密的氧化物。

·Intel 和台积电主要探索方向。这层氧化物既是保护层，又是 High-k 介质的一部分，一石二鸟。

路径二：范德华外延 (vdW Epitaxy) —— 性能天花板

·操作： 在同一个生长炉内，切断硫源，通入硼氮源，直接在 沟道材料表面外延生长几层 hBN (六方氮化硼)。

·原理： 晶格匹配度高，界面无悬挂键，散射极低。

·实验室最爱，但 hBN 生长温度太高，工艺窗口窄，难以大规模量产。

路径三：分子层自组装 (Molecular Seeding)

·操作： 在真空下通过 MLD（分子层沉积）引入特定的有机分子（如 PTCDA），形成有序单分子层。

·适合低温工艺，是柔性电子的首选。

结论

在摩尔定律逼近物理极限的今天，界面的质量决定了器件的生死。“钝化优先策略”的提出，标志着二维电子学正在从单纯的“材料合成竞赛”跨入复杂的“系统集成工程”阶段。对于产业界而言，购买昂贵的真空互联设备不再是选修课，而是通往 GAA 时代的入场券。不清洗，是为了更极致的洁净。