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Matter | 泽攸科技液氮低温探针台协助科研团队攻克亚纳米电学测试关卡

发布时间：

2026-07-14

原子级超薄非晶材料打破了晶体晶格对称性的束缚，将二维几何特征与结构无序性相结合，展现出高缺陷容忍度和连续可调的物化性质。与通过范德华力堆叠的二维晶体不同，非晶薄膜不存在晶界与范德华间隙，能够形成具备原子级平整度和结构均一性的单体薄膜，在下一代集成电路、电子透射及金属扩散阻挡层等领域展现出巨大的应用前景。目前学术界已在单层非晶碳及超薄氧化物等体系的合成与性能探索中奠定了初步基础。

但该领域向实际工业应用迈进时仍面临严峻挑战。在材料合成方面，如何突破单分子层限制，精确控制亚纳米至数纳米范围内的厚度，并实现大面积连续、无针孔的均一生长，依然是尚未被充分探索的难题。在器件集成方面，半导体后道工艺要求制备温度严格低于400°C，而传统阻挡材料在厚度缩减时易失效，二维晶体则因晶界与间隙扩散难以满足极细线宽要求，需在低工艺温度下直接生长出极致超薄且高致密的非晶阻挡层。

针对上述问题，由北京大学、中国科学院物理研究所等组成的团队利用泽攸科技的液氮低温探针台进行了系统研究，该团队通过远程等离子体辅助技术，实现了亚纳米至数纳米范围内厚度连续可调、无针孔且具备原子级平整度的单体氮掺杂非晶碳薄膜的可控制备，揭示了氢自由基轰击驱动的下坡传输平整生长机制，并证实了其作为兼容芯片后道集成工艺的高性能超薄铜扩散阻挡层的应用潜力。

标题：Nitrogen-doped amorphous carbon as atomically thin monolithic membrane
期刊：Matter
网址：http://dx.doi.org/10.1016/j.matt.2026.102911

研究团队针对二维非晶材料生长控制难题，开发出远程等离子体辅助化学气相沉积技术，成功制备出厚度在亚纳米至数纳米范围内连续可调的氮掺杂非晶碳单体薄膜。该方法利用吡嗪作为前驱体分子，在低至300°C至500°C的衬底温度下，通过调控前驱体供应与等离子体密度，实现了从岛状生长模式向连续平整薄膜模式的平滑切换。所得氮掺杂非晶碳薄膜在晶圆级尺度上展现出无针孔、无裂纹且具备均一的原子级平整度，根均方粗糙度可低0.36nm。作为一种非层状结构材料，它彻底摆脱了传统二维晶体的范德华间隙与晶界限制，形成了兼具各向同性结构与高力学强度的原子级超薄单体膜。

在生长机制探讨方面，研究团队揭示了由氢自由基轰击驱动的下坡质量传输平整生长机理，解答了非晶材料难以形成亚纳米超薄平整膜的物理根源。实验与分子动力学模拟表明，前驱体裂解产生的氢自由基在沉积过程中扮演了关键的动态蚀刻与表面再造角色。氢自由基频繁诱发近表面碳碳键的断裂与重组，使原子具备横向迁移的动态流动性，有效抵消了纯沉积过程所引发的局部隆起与表面粗糙化倾向。这种持续的下坡质量传输机制使薄膜表面得以在连续生长中保持极致平整，为原子级超薄非晶膜的大面积高质量制备提供了全新的理论依据。

为了验证该材料在半导体后道集成工艺中的应用可行性，研究团队对其作为铜扩散阻挡层的电学性能进行了系统评估。由于该非晶碳薄膜直接沉积温度仅需350°C，完全兼容芯片后道工艺的温度限制要求。研究团队构建了电容器阵列，并利用泽攸科技的液氮低温探针台在真空及受控温度环境下开展了关键的随时间依赖介电击穿测试。测试数据精准记录了器件在高电场与热应力下的漏电流演变与击穿时间，证实高密度氮掺杂非晶碳薄膜即使厚度缩减至亚纳米级别，其平均失效时间仍比传统阻挡层材料提升数十倍以上，展现出极其优异的阻挡性能与长期可靠性。

结合第一性原理密度泛函理论计算与多场景功能验证，研究团队进一步阐明了氮掺杂非晶碳薄膜卓越性能的微观机理与广阔应用前景。计算结果表明，氮元素的掺杂有效缩短了局部键长并提高了局域原子堆积密度，对铜原子的扩散产生了显著的空间位阻效应，大幅抬升了铜原子的迁移能垒。此外该薄膜还展现出出色的电子透射特性，成功转移至微通道板表面后能实现高效的电子穿透与信号倍增，且无死区电压效应。这些成果表明，原子级超薄氮掺杂非晶碳膜作为一种高性能单体组件，在下一代超大规模集成电路铜互连阻挡层、电子探测器件及分子屏障等领域具备巨大的产业应用价值。

泽攸科技低温液氮探针台是一种先进的科研设备，专门用于在低温环境下对半导体器件、微纳材料以及电子元件进行高精度的电学性能测试。它通过液氮制冷系统为样品提供超低温环境，确保在极低温度下对样品的电学特性进行精确测量。设备配备了高分辨率的显微镜模块，能够清晰地观察样品的微观结构，从而实现探针与样品的精准对准和接触。目前已经广泛应用于半导体研发、微纳电子学、材料科学、物理化学等多个领域，是研究器件变温输运特性、热电性能、光电响应等关键特性的理想工具。