热扫描探针光刻技术消除二维半导体材料

   二维半导体材料，比如二硫化钼（MoS₂），表现出了诸多新奇的特性，从而使其具有应用于新型电子器件领域的潜力。目前，研究人员常用电子束光刻的方法，在此类仅若干原子层厚的材料表面定域制备图形化电极，从而研究其电学特性。然而，采用此类方法常遇到的问题之一是二维半导体材料与金属电极之间为非欧姆接触，且具有较高的肖特基势垒。

      近期，刊载在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)），针对以上问题展开了研究。文中，Zheng等人采用热扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography，t-SPL）的方法，在二维原子晶体表面成功制备了图形化电极。此方法具有极高的可重复性，并且具有小于10 nm的分辨率，以及可观的产率（单根针尖达到10⁵μm² h⁻¹）。相较于电子束光刻方法而言，此方法可以同时进行图形化工艺并原位对图形化工艺后的结果进行成像表征，而且不需要真空腔体以及高能电子束。采用这一技术方案，Zheng等人在单层MoS₂上制备了具有顶栅和背栅结构的场效应晶体管。在未采用负电容或异质堆叠等方案的前提下，Zheng等人制备的器件中的二维半导体材料与金属电极之间的肖特基势垒趋于0 meV，开关比达到10¹⁰，且亚阈值摆幅低至64 mV/dec，大大优于此前诸多其他方案所制得的类似器件的电学特性。

图1 器件制备流程及主要步骤后的样品形貌表征

表1 采用两种不同方法（热扫描探针光刻与电子束光刻）制备的

基于MoS₂的FET的电学特性对比

      值得指出的是，文中Zheng等人实现图形化掩膜制备所用的设备，是由瑞士Swisslitho公司所研发的NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机，该系统实现图形化工艺主要是基于前文所述的热扫描探针光刻技术。热扫描探针光刻技术的核心，是利用高温纳米针尖与一种热解胶（PPA）作用，热解胶在高温作用下会挥发，从而使热针尖“画”过的区域没有热解胶而热针尖没有“画”过的区域留存有热解胶，从而实现对热解胶的图形化处理。工艺过程中，图形的刻写精度与针尖的曲率半径以及针尖的温度控制水平息息相关。依托成熟的微加工工艺以及微系统设计经验，Swisslitho设计并制备了具有纳米级曲率半径的针尖的悬臂梁，并且在悬臂梁上集成了用于控制及反馈针尖温度的电学系统，可以在室温至1100 ℃的范围内对针尖的温度进行准确地控制及监测，从而使得NanoFrazor的图形加工精度可以达到10 nm量级的水平，且工艺具有的稳定性和重复性。

图2 针尖处于加热状态下的悬臂梁图像

      另一方面，从工作原理不难看出，热扫描探针光刻不需要额外的显影操作。只要是用高温纳米探针在热解胶表面一“画”，热解胶表面相应区域就会挥发掉，从而在表面留下痕迹。着眼于这一特点，Swisslitho的研发人员巧妙地在悬臂梁上集成了轮廓探测器，可以原位对热解胶表面留下的痕迹进行形貌表征，从而实现闭环图形加工功能。NanoFrazor使用户可以实时了解图形加工的情况，并进行修正，大大缩减了图形化工艺所用的时间，提升了效率。

      此外，由于NanoFrazor特殊的结构特点，使得NanoFrazor在进行套刻工艺时，可以方便快捷地直接定位到样品表面的目标区域并进行套刻工艺，无须预先在样品表面制备对准标记，亦可省去进行传统光学光刻或电子束光刻对准过程中的繁琐步骤。

      为重要的是，由于工艺过程中用针尖的热与热解胶作用替代了电子束或光束与光刻胶作用，可以有效减少图形化工艺过程中对样品中介质材料的电荷注入所引起的损伤，从而提升微纳结构电学特性的可靠性，亦可有效提升器件的电学特性。