熱掃描探針光刻技術消除二維半導體材料

   二維半導體材料，比如二硫化鉬（MoS₂），表現出了諸多新奇的特性，從而使其具有應用于新型電子器件領域的潛力。目前，研究人員常用電子束光刻的方法，在此類僅若干原子層厚的材料表面定域制備圖形化電極，從而研究其電學特性。然而，采用此類方法常遇到的問題之一是二維半導體材料與金屬電極之間為非歐姆接觸，且具有較高的肖特基勢壘。

      近期，刊載在Nature Electronics上的Patterning metal contacts on monolayer MoS₂ with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography一文（Nature Electronics volume 2, pages17–25 (2019)），針對以上問題展開了研究。文中，Zheng等人采用熱掃描探針光刻（thermal scanning probe lithography，t-SPL）的方法，在二維原子晶體表面成功制備了圖形化電極。此方法具有極高的可重復性，并且具有小于10 nm的分辨率，以及可觀的產率（單根針尖達到10^5?μm²?h^?1）。相較于電子束光刻方法而言，此方法可以同時進行圖形化工藝并原位對圖形化工藝后的結果進行成像表征，而且不需要真空腔體以及高能電子束。采用這一技術方案，Zheng等人在單層MoS₂上制備了具有頂柵和背柵結構的場效應晶體管。在未采用負電容或異質堆疊等方案的前提下，Zheng等人制備的器件中的二維半導體材料與金屬電極之間的肖特基勢壘趨于0 meV，開關比達到10¹⁰，且亞閾值擺幅低至64 mV/dec，大大優于此前諸多其他方案所制得的類似器件的電學特性。

圖1 器件制備流程及主要步驟后的樣品形貌表征

表1 采用兩種不同方法（熱掃描探針光刻與電子束光刻）制備的

基于MoS₂的FET的電學特性對比

      值得指出的是，文中Zheng等人實現圖形化掩膜制備所用的設備，是由瑞士Swisslitho公司所研發的NanoFrazor 3D納米結構高速直寫機，該系統實現圖形化工藝主要是基于前文所述的熱掃描探針光刻技術。熱掃描探針光刻技術的核心，是利用高溫納米針尖與一種熱解膠（PPA）作用，熱解膠在高溫作用下會揮發，從而使熱針尖“畫”過的區域沒有熱解膠而熱針尖沒有“畫”過的區域留存有熱解膠，從而實現對熱解膠的圖形化處理。工藝過程中，圖形的刻寫精度與針尖的曲率半徑以及針尖的溫度控制水平息息相關。依托成熟的微加工工藝以及微系統設計經驗，Swisslitho設計并制備了具有納米級曲率半徑的針尖的懸臂梁，并且在懸臂梁上集成了用于控制及反饋針尖溫度的電學系統，可以在室溫至1100 ℃的范圍內對針尖的溫度進行準確地控制及監測，從而使得NanoFrazor的圖形加工精度可以達到10 nm量級的水平，且工藝具有的穩定性和重復性。

圖2 針尖處于加熱狀態下的懸臂梁圖像

      另一方面，從工作原理不難看出，熱掃描探針光刻不需要額外的顯影操作。只要是用高溫納米探針在熱解膠表面一“畫”，熱解膠表面相應區域就會揮發掉，從而在表面留下痕跡。著眼于這一特點，Swisslitho的研發人員巧妙地在懸臂梁上集成了輪廓探測器，可以原位對熱解膠表面留下的痕跡進行形貌表征，從而實現閉環圖形加工功能。NanoFrazor使用戶可以實時了解圖形加工的情況，并進行修正，大大縮減了圖形化工藝所用的時間，提升了效率。

      此外，由于NanoFrazor特殊的結構特點，使得NanoFrazor在進行套刻工藝時，可以方便快捷地直接定位到樣品表面的目標區域并進行套刻工藝，無須預先在樣品表面制備對準標記，亦可省去進行傳統光學光刻或電子束光刻對準過程中的繁瑣步驟。

      為重要的是，由于工藝過程中用針尖的熱與熱解膠作用替代了電子束或光束與光刻膠作用，可以有效減少圖形化工藝過程中對樣品中介質材料的電荷注入所引起的損傷，從而提升微納結構電學特性的可靠性，亦可有效提升器件的電學特性。