美國(guó)福祿集團(tuán)公司(Ferro)的奉向東博士和佐治亞理工學(xué)院的王中林教授等首次合成了具有規(guī)則球狀的單晶二氧化鈰納米顆粒，并成功運(yùn)用于硅晶片高精度平面的碾磨。這一最新成果以長(zhǎng)篇報(bào)道的形式刊登在6月9日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志上。新研究不僅在實(shí)際應(yīng)用中大大提高了硅晶片拋光表面的質(zhì)量，而且在理論上首次論證了形成球形單晶陶瓷納米材料的可能性。
奉向東是Ferro公司的資深研究員、新技術(shù)開發(fā)部主管和公司納米核心技術(shù)主任。王中林是佐治亞理工學(xué)院校董事講座教授和工學(xué)院杰出講座教授、北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料和納米技術(shù)系系主任、中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任。他們認(rèn)為該發(fā)現(xiàn)必將在材料、化工、電子、催化等領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。
奉向東和王中林介紹，目前，基于硅晶片的集成電路制造在現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中占有相當(dāng)大的比重。隨著電子蝕刻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在所能生產(chǎn)的單個(gè)晶體管的尺寸已經(jīng)達(dá)到了50納米以下。高度密集的電路和器件要求硅晶片達(dá)到原子尺度的平整且沒有任何缺陷�；瘜W(xué)機(jī)械碾磨法（CMP）是半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛采用的打磨工藝。到2005年，這一工藝所需的納米顆粒已占據(jù)了所有納米材料市場(chǎng)（10億美元）的60％。二氧化鈰（CeO2）納米顆粒則是化學(xué)機(jī)械碾磨法工藝的主要打磨材料之一。然而，目前所能合成出來(lái)的二氧化鈰納米顆粒均是有棱有角的不規(guī)則晶體顆粒，這些棱角限制了硅晶片打磨表面的平整度并帶來(lái)劃痕和缺陷，為進(jìn)一步提高集成電路上的器件密度及電路質(zhì)量帶來(lái)了困難。球狀的納米顆粒是最為理想的打磨材料，但是球狀的晶面具有較高的表面能，在工藝上很難實(shí)現(xiàn)。
最近，奉向東等利用火焰噴射高溫分解法，首次合成出了直徑小于0.25納米的球形鈦摻雜Ce1-xTixO2單晶納米顆粒。這是第一個(gè)合成出的具備單晶性質(zhì)的球形氧化物陶瓷納米顆粒，是工業(yè)化大規(guī)模無(wú)機(jī)合成領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。在此合成工藝中，含鈰（Ce）和鈦（Ti）成分的乙醇溶液以霧狀噴入燃燒腔內(nèi)，并迅速被點(diǎn)燃。燃燒過程可產(chǎn)生兩千多攝氏度的高溫，使其中金屬成分同時(shí)燃燒并生成金屬氧化物的納米粉塵。納米粉塵通過燃燒區(qū)后溫度迅速降低，從而得以完成化學(xué)反應(yīng)，結(jié)晶并生長(zhǎng)。這一過程中納米顆粒的生產(chǎn)速率可達(dá)到300克/小時(shí)。
王中林及其同事通過高分辨電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，單晶球狀二氧化鈰納米顆粒的形成與鈦的摻雜密切相關(guān)。沒有鈦摻雜的產(chǎn)物呈不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，而加入6％以上的鈦后的產(chǎn)物則呈規(guī)則的球形。在納米球的表面，附著有一層1～2納米厚的無(wú)定形非晶殼層。掃描透射顯微鏡的分析表明這一薄層為二氧化鈦（TiO2）。當(dāng)僅有鈰參與反應(yīng)時(shí)，單晶二氧化鈰顆粒的生長(zhǎng)趨向以能量最低的{111}和{100}面做外表面，因此所得產(chǎn)物為棱角分明的多面體結(jié)構(gòu)。而當(dāng)引進(jìn)鈦后，結(jié)晶過程中則包括了二氧化鈰和二氧化鈦兩相。在燃燒腔兩千多攝氏度的高溫下，二氧化鈦由于熔點(diǎn)較低（1800℃）而呈熔融狀態(tài)，包圍在固態(tài)的二氧化鈰核周圍。在二氧化鈰晶體整個(gè)生長(zhǎng)過程中，液態(tài)的二氧化鈦外殼為使表面能達(dá)到最低而使整個(gè)晶粒一直保持規(guī)則的球形。生長(zhǎng)過程的高溫使部分鈦進(jìn)入二氧化鈰的晶格之中，形成摻雜結(jié)構(gòu)(Ce1-xTixO2)，實(shí)驗(yàn)證明摻雜鈦的二氧化鈰納米球顆粒具有更好的研磨性質(zhì)。以碾磨表面覆蓋有1000納米氧化硅的硅晶片為例，純二氧化鈰的碾磨速度為195納米/分鐘，而摻雜有12.5%鈦的二氧化鈰的碾磨速度則達(dá)到了300納米/分鐘。同時(shí)，硅晶片表面的劃痕也降低了80%。
為了解釋球狀單晶的形成原因，奉向東和王中林提出了固—液雙相共生理論。王中林認(rèn)為，這一無(wú)機(jī)合成領(lǐng)域的新理論將會(huì)對(duì)開發(fā)特殊形貌的功能化納米材料具有重大的促進(jìn)作用。
王中林說(shuō)，球狀單晶氧化物納米顆粒的發(fā)現(xiàn)在理論與實(shí)際應(yīng)用上具有雙重指導(dǎo)意義。球狀單晶的合成打破了晶體必須由能量最低面構(gòu)成的常規(guī)理論。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其相對(duì)高效的生產(chǎn)速率使得這一工藝能直接應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。與通常使用的碾磨材料相比，通過采用這種球形納米顆粒作為碾磨材料，硅片的碾磨速度增加了50％而表面缺陷下降了80％。這一發(fā)現(xiàn)為生產(chǎn)高質(zhì)量的硅晶片提供了實(shí)現(xiàn)的可能，進(jìn)而能大大推進(jìn)下一代高精度高密度的集成電路以及集成納米器件制造的發(fā)展。
奉向東是Ferro公司的資深研究員、新技術(shù)開發(fā)部主管和公司納米核心技術(shù)主任。王中林是佐治亞理工學(xué)院校董事講座教授和工學(xué)院杰出講座教授、北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料和納米技術(shù)系系主任、中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任。他們認(rèn)為該發(fā)現(xiàn)必將在材料、化工、電子、催化等領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。
奉向東和王中林介紹，目前，基于硅晶片的集成電路制造在現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中占有相當(dāng)大的比重。隨著電子蝕刻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在所能生產(chǎn)的單個(gè)晶體管的尺寸已經(jīng)達(dá)到了50納米以下。高度密集的電路和器件要求硅晶片達(dá)到原子尺度的平整且沒有任何缺陷�；瘜W(xué)機(jī)械碾磨法（CMP）是半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛采用的打磨工藝。到2005年，這一工藝所需的納米顆粒已占據(jù)了所有納米材料市場(chǎng)（10億美元）的60％。二氧化鈰（CeO2）納米顆粒則是化學(xué)機(jī)械碾磨法工藝的主要打磨材料之一。然而，目前所能合成出來(lái)的二氧化鈰納米顆粒均是有棱有角的不規(guī)則晶體顆粒，這些棱角限制了硅晶片打磨表面的平整度并帶來(lái)劃痕和缺陷，為進(jìn)一步提高集成電路上的器件密度及電路質(zhì)量帶來(lái)了困難。球狀的納米顆粒是最為理想的打磨材料，但是球狀的晶面具有較高的表面能，在工藝上很難實(shí)現(xiàn)。
最近，奉向東等利用火焰噴射高溫分解法，首次合成出了直徑小于0.25納米的球形鈦摻雜Ce1-xTixO2單晶納米顆粒。這是第一個(gè)合成出的具備單晶性質(zhì)的球形氧化物陶瓷納米顆粒，是工業(yè)化大規(guī)模無(wú)機(jī)合成領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。在此合成工藝中，含鈰（Ce）和鈦（Ti）成分的乙醇溶液以霧狀噴入燃燒腔內(nèi)，并迅速被點(diǎn)燃。燃燒過程可產(chǎn)生兩千多攝氏度的高溫，使其中金屬成分同時(shí)燃燒并生成金屬氧化物的納米粉塵。納米粉塵通過燃燒區(qū)后溫度迅速降低，從而得以完成化學(xué)反應(yīng)，結(jié)晶并生長(zhǎng)。這一過程中納米顆粒的生產(chǎn)速率可達(dá)到300克/小時(shí)。
王中林及其同事通過高分辨電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，單晶球狀二氧化鈰納米顆粒的形成與鈦的摻雜密切相關(guān)。沒有鈦摻雜的產(chǎn)物呈不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，而加入6％以上的鈦后的產(chǎn)物則呈規(guī)則的球形。在納米球的表面，附著有一層1～2納米厚的無(wú)定形非晶殼層。掃描透射顯微鏡的分析表明這一薄層為二氧化鈦（TiO2）。當(dāng)僅有鈰參與反應(yīng)時(shí)，單晶二氧化鈰顆粒的生長(zhǎng)趨向以能量最低的{111}和{100}面做外表面，因此所得產(chǎn)物為棱角分明的多面體結(jié)構(gòu)。而當(dāng)引進(jìn)鈦后，結(jié)晶過程中則包括了二氧化鈰和二氧化鈦兩相。在燃燒腔兩千多攝氏度的高溫下，二氧化鈦由于熔點(diǎn)較低（1800℃）而呈熔融狀態(tài)，包圍在固態(tài)的二氧化鈰核周圍。在二氧化鈰晶體整個(gè)生長(zhǎng)過程中，液態(tài)的二氧化鈦外殼為使表面能達(dá)到最低而使整個(gè)晶粒一直保持規(guī)則的球形。生長(zhǎng)過程的高溫使部分鈦進(jìn)入二氧化鈰的晶格之中，形成摻雜結(jié)構(gòu)(Ce1-xTixO2)，實(shí)驗(yàn)證明摻雜鈦的二氧化鈰納米球顆粒具有更好的研磨性質(zhì)。以碾磨表面覆蓋有1000納米氧化硅的硅晶片為例，純二氧化鈰的碾磨速度為195納米/分鐘，而摻雜有12.5%鈦的二氧化鈰的碾磨速度則達(dá)到了300納米/分鐘。同時(shí)，硅晶片表面的劃痕也降低了80%。
為了解釋球狀單晶的形成原因，奉向東和王中林提出了固—液雙相共生理論。王中林認(rèn)為，這一無(wú)機(jī)合成領(lǐng)域的新理論將會(huì)對(duì)開發(fā)特殊形貌的功能化納米材料具有重大的促進(jìn)作用。
王中林說(shuō)，球狀單晶氧化物納米顆粒的發(fā)現(xiàn)在理論與實(shí)際應(yīng)用上具有雙重指導(dǎo)意義。球狀單晶的合成打破了晶體必須由能量最低面構(gòu)成的常規(guī)理論。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其相對(duì)高效的生產(chǎn)速率使得這一工藝能直接應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。與通常使用的碾磨材料相比，通過采用這種球形納米顆粒作為碾磨材料，硅片的碾磨速度增加了50％而表面缺陷下降了80％。這一發(fā)現(xiàn)為生產(chǎn)高質(zhì)量的硅晶片提供了實(shí)現(xiàn)的可能，進(jìn)而能大大推進(jìn)下一代高精度高密度的集成電路以及集成納米器件制造的發(fā)展。
