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弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM）实现Si(001)表面超平坦化的研究（第1报）
一、作者与发表信息
本研究由森勇藏（Yuzo Mori）、山内和人（Kazuto Yamauchi）、三村秀和（Hidekazu Mimura）等作者合作完成，作者单位为大阪大学大学院工学研究科附属超精密科学研究センター（超精密科学研究中心）。研究发表于《精密工学会誌論文集》（Journal of the Japan Society for Precision Engineering）2004年第70卷第3期，页码391-396。
二、学术背景
科学领域：本研究属于半导体表面超精密加工技术领域，聚焦于硅（Si）晶圆表面的原子级平坦化。
研究动机：随着半导体器件尺寸的微缩化，对Si(001)表面原子级平坦度的需求日益迫切。传统方法如超高真空加热法虽能实现原子级平坦化，但能耗高且工业可行性低；湿法蚀刻（wet etching）虽适用于Si(111)表面，但会导致Si(001)表面形成微米级凹凸结构（如微坑和微凸）。因此，亟需开发一种兼具高精度与工业可行性的加工技术。
研究目标：开发一种超洁净EEM系统，通过选择性去除表面凸起原子，实现Si(001)表面的原子级平坦化。
三、研究流程与方法
超洁净EEM系统设计
- 核心创新：系统采用超纯水静压支撑的样品台，避免油蒸气污染；配备加工液循环精制系统，实时去除有机污染物、溶解氧及金属离子（TOC和溶解氧浓度均控制在1ppb以下）。
- 加工头设计：采用狭缝式喷嘴（slit nozzle）替代传统旋转球头，提升加工区域自由度，并通过压力传输装置（bellows隔离）实现高压超纯水与微粒混合液的稳定喷射。
加工液精制系统
- 固液分离单元：通过超滤技术分离加工液中的微粒与液相成分。
- 脱气单元：降低溶解氧浓度至1ppb级。
- 实时监测：ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）检测金属离子浓度（数ppb级），超纯水自动补充系统维持液面稳定。
加工实验
- 样品：80℃超纯水处理的Si(001)晶圆，预处理后表面形成随机分布的微米级粗糙结构（RMS 4.63nm）。
- 加工参数：SiO₂微粒（直径2μm，浓度0.3%），喷嘴间隙1mm，入射角35°，流体速度30m/s，去除深度50nm。
- 后处理：超纯水冲洗后，通过1MHz超声清洗和HF溶液（1%）处理获得疏水表面。
表面表征
- AFM（原子力显微镜）：测量加工前后表面形貌，分析粗糙度（Ra、RMS、P-V值）及功率谱密度（PSD）。
- 数据解析：通过PSD曲线量化不同空间波长范围内的粗糙度改善效果。
四、主要结果
平坦化效果
- 加工后表面粗糙度显著降低：Ra从3.76nm降至0.15nm，RMS从4.63nm降至0.19nm，P-V值从45.18nm降至1.63nm。
- PSD分析显示，所有空间波长（1μm至0.01μm）的粗糙度振幅均降低至1/100以下，证实EEM对全波段凹凸结构的均匀去除能力。
机制验证
- AFM图像显示，加工优先去除表面凸起原子，验证了EEM的“选择性去除”机制。
- 加工液精制系统的有效性通过TOC和溶解氧的实时监测数据得到支持（图9-10）。
五、结论与价值
科学价值
- 首次证实EEM可通过几何选择性机制实现Si(001)的原子级平坦化（RMS 0.19nm），突破了传统湿法蚀刻的局限性。
- 提出的超洁净系统设计（如超纯水静压台、加工液精制）为半导体表面处理提供了新范式。
工业应用价值
- 该系统无需超高真空环境，能耗低，适合大尺寸晶圆（直径200mm）加工，具备产业化潜力。
六、研究亮点
- 方法创新
- 开发了全球首套针对Si(001)的超洁净EEM系统，整合了多项原创技术（如磁耦合静压台、狭缝喷嘴）。
- 发现创新
- 揭示了EEM在Si(001)表面的“凸起原子优先去除”机制，并通过PSD分析量化了全波段的平坦化效果。
七、其他贡献
- 研究为后续Si(001)表面原子结构的STM（扫描隧道显微镜）表征奠定了基础（见次报预告）。
（注：全文约1500字，涵盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告格式要求。）