二維半導(dǎo)體材料，比如二硫化鉬（MoS2），表現(xiàn)出了諸多新奇的特性，從而使其具有應(yīng)用于新型電子器件領(lǐng)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，從而研究其電學(xué)特性。然而，采用此類方法常遇到的問(wèn)題之一是二維半導(dǎo)體材料與金屬電之間為非歐姆接觸，且具有較高的肖特基勢(shì)壘。

　　近期，刊載在Nature Electronics上的Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography一文（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。此方法具有高的可重復(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105 μm2 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。采用這一技術(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特基勢(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，大大優(yōu)于此前諸多其他方案所制得的類似器件的電學(xué)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(xué)特性對(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(huì)揮發(fā)，從而使熱針尖“畫”過(guò)的區(qū)域沒(méi)有熱解膠而熱針尖沒(méi)有“畫”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，且工藝具有佳的穩(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(yīng)區(qū)域就會(huì)揮發(fā)掉，從而在表面留下痕跡。著眼于這一特點(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特殊的結(jié)構(gòu)特點(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)先在樣品表面制備對(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)特性的可靠性，亦可有效提升器件的電學(xué)特性。