二維半導(dǎo)體材料，比如二硫化鉬（MoS₂），表現(xiàn)出了諸多新奇的性，從而使其具有應(yīng)用于新型電子器件域的潛力。目前，研究人員常用電子束光刻的方法，在此類(lèi)僅若干原子層厚的材料表面定域制備圖形化電，從而研究其電學(xué)性。然而，采用此類(lèi)方法常遇到的問(wèn)題之是二維半導(dǎo)體材料與金屬電之間為非歐姆接觸，且具有較高的肖基勢(shì)壘。

      近期，刊載在Nature Electronics上的Patterning metal contacts on monolayer MoS₂ with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography文（Nature Electronics volume 2, pages17–25 (2019)），針對(duì)以上問(wèn)題展開(kāi)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。此方法具有*的可重復(fù)性，并且具有小于10 nm的分辨率，以及可觀的產(chǎn)率（單根針尖達(dá)到10⁵μm² h⁻¹）。相較于電子束光刻方法而言，此方法可以同時(shí)進(jìn)行圖形化工藝并原位對(duì)圖形化工藝后的結(jié)果進(jìn)行成像表征，而且不需要真空腔體以及高能電子束。采用這技術(shù)方案，Zheng等人在單層MoS₂上制備了具有頂柵和背柵結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在未采用負(fù)電容或異質(zhì)堆疊等方案的前提下，Zheng等人制備的器件中的二維半導(dǎo)體材料與金屬電之間的肖基勢(shì)壘趨于0 meV，開(kāi)關(guān)比達(dá)到10¹⁰，且亞閾值擺幅低至64 mV/dec，大大于此前諸多其他方案所制得的類(lèi)似器件的電學(xué)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(xué)性對(duì)比

      值得指出的是，文中Zheng等人實(shí)現(xiàn)圖形化掩膜制備所用的設(shè)備，是由瑞士Swisslitho公司所研發(fā)的NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫(xiě)機(jī)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形化工藝主要是基于前文所述的熱掃描探針光刻技術(shù)。熱掃描探針光刻技術(shù)的核心，是用高溫納米針尖與種熱解膠（PPA）作用，熱解膠在高溫作用下會(huì)揮發(fā)，從而使熱針尖“畫(huà)”過(guò)的區(qū)域沒(méi)有熱解膠而熱針尖沒(méi)有“畫(huà)”過(guò)的區(qū)域留存有熱解膠，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱解膠的圖形化處理。工藝過(guò)程中，圖形的刻寫(xiě)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(guān)。依托成熟的微加工工藝以及微系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，Swisslitho設(shè)計(jì)并制備了具有納米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(xué)系統(tǒng)，可以在室溫至1100 ℃的范圍內(nèi)對(duì)針尖的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確地控制及監(jiān)測(cè)，從而使得NanoFrazor的圖形加工精度可以達(dá)到10 nm量的水平，且工藝具有的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖2 針尖處于加熱狀態(tài)下的懸臂梁圖像

      另方面，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“畫(huà)”，熱解膠表面相應(yīng)區(qū)域就會(huì)揮發(fā)掉，從而在表面留下痕跡。著眼于這點(diǎn)，Swisslitho的研發(fā)人員巧妙地在懸臂梁上集成了輪廓探測(cè)器，可以原位對(duì)熱解膠表面留下的痕跡進(jìn)行形貌表征，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)圖形加工功能。NanoFrazor使用戶(hù)可以實(shí)時(shí)了解圖形加工的情況，并進(jìn)行修正，大大縮減了圖形化工藝所用的時(shí)間，提升了效率。

      此外，由于NanoFrazor殊的結(jié)構(gòu)點(diǎn)，使得NanoFrazor在進(jìn)行套刻工藝時(shí)，可以方便快捷地直接定位到樣品表面的目標(biāo)區(qū)域并進(jìn)行套刻工藝，無(wú)須預(yù)在樣品表面制備對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，亦可省去進(jìn)行傳統(tǒng)光學(xué)光刻或電子束光刻對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的繁瑣步驟。

      為重要的是，由于工藝過(guò)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(guò)程中對(duì)樣品中介質(zhì)材料的電荷注入所引起的損傷，從而提升微納結(jié)構(gòu)電學(xué)性的可靠性，亦可有效提升器件的電學(xué)性。