隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，集成電路的需求出現(xiàn)了井噴式的增長(zhǎng)。使得掩膜的需求急劇增加，目前制作掩膜的主要技術(shù)是電子束直寫(xiě)，但該制作效率非常低下，并且成本也不容小覷，在這種背景下人們把目光轉(zhuǎn)移到了無(wú)掩膜光刻技術(shù)。

　　英國(guó)Durham Magneto Optics公司致力于研發(fā)小型臺(tái)式無(wú)掩膜光刻直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter ML3），為微流控、MEMS、半導(dǎo)體、自旋電子學(xué)等研究領(lǐng)域提供方便高效的微加工方案。傳統(tǒng)的光刻工藝中所使用的鉻玻璃掩膜板需要由專業(yè)供應(yīng)商提供，但是在研發(fā)過(guò)程中，掩膜板的設(shè)計(jì)通常需要根據(jù)實(shí)際情況多次改變。無(wú)掩膜光刻技術(shù)通過(guò)以軟件設(shè)計(jì)電子掩膜板的方法，克服了這一問(wèn)題。與通過(guò)物理掩膜板進(jìn)行光照的傳統(tǒng)工藝不同，激光直寫(xiě)是通過(guò)電腦控制DMD微鏡矩陣開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制，在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。同時(shí)其還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、高直寫(xiě)速度，高分辨率（XY：<1 um）的特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì)，全自動(dòng)控制，可靠性高，操作簡(jiǎn)便。

　　復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院包文中教授課題組主要的研究領(lǐng)域包括二維層狀材料的能帶調(diào)控、器件工藝及應(yīng)用，包括二硫化鉬（MoS₂），黑磷等。近日，其課題組利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜光刻直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter ML3）在新型二維層狀材料MoS₂的器件制備、轉(zhuǎn)移和應(yīng)用等方面取得了一系列矚目的研究成果： 

　　（一） SMALL: 高性能的具備實(shí)際應(yīng)用前景的晶圓MoS₂晶體管

　　原子層的過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）被認(rèn)為是下一代半導(dǎo)體器件的重要研究熱點(diǎn)。然而，目前絕大部分的器件都是基于層間剝離來(lái)獲取金屬硫化物層，這樣只能實(shí)現(xiàn)微米的制備。在本文中，作者提出一種利用化學(xué)氣相沉積（CVD）制備多層MoS₂薄層，進(jìn)而改善所制備器件的相關(guān)性能。采用四探針?lè)y(cè)量證明接觸電阻降低一個(gè)數(shù)量。進(jìn)一步，基于該法制備的連續(xù)大面積MoS₂薄層，采用小型無(wú)掩膜光刻直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter ML3）構(gòu)筑了頂柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）陣列。研究表明其閾值電壓和場(chǎng)效應(yīng)遷移率均有明顯的提升，平均遷移率可以達(dá)到70 cm²V^-1s^-1，可與層間剝離法制備的MoS₂FET好結(jié)果相媲美。本工作創(chuàng)制了一種規(guī)?；苽涠STMD功能器件和集成電路應(yīng)用的有效方法。 

圖1. (a-e) 利用CVD法制備大面積多層MoS₂的原理示意及形貌結(jié)果。(g, h, i, j) 單層MoS₂邊界及多層MoS₂片層島的AFM測(cè)試結(jié)果，拉曼譜及光致發(fā)光譜結(jié)果

圖2. 利用無(wú)掩膜激光直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter）在MoS₂薄層上制備的多探針（二探針/四探針）測(cè)量系統(tǒng)，以及在不同條件下測(cè)量的接觸電阻和遷移率結(jié)果。證明所制多層MoS₂的平均遷移率可以達(dá)到70 cm²V^-1s^-1

圖3. 利用無(wú)掩膜光刻直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter）制備的大面積規(guī)模MoS₂FET陣列，及其場(chǎng)效應(yīng)遷移率和閾值電壓的分布性測(cè)量結(jié)果，證明該規(guī)模MoS₂FET陣列具備優(yōu)異且穩(wěn)定的均一特性 

　　（二） Nanotechnology: 用于高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管的晶圓可轉(zhuǎn)移多層MoS₂的制備

　　利用化學(xué)氣相沉積（CVD）制備半導(dǎo)體型過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）是一種制備半導(dǎo)體器件的新途徑，然而實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻的多層TMD薄膜制備仍然需要克服特殊的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在本文中，作者利用多層堆疊（layer-by-layer）及轉(zhuǎn)移工藝，制備出均勻、無(wú)缺陷的多層MoS₂薄膜。同時(shí)，利用無(wú)掩膜光刻直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter）在其基礎(chǔ)上制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件。分別實(shí)現(xiàn)1層、2層、3層和4層MoS₂FET的制備，并深入研究不同條件下器件的遷移率變化，終發(fā)現(xiàn)隨著MoS₂堆疊層數(shù)的增加，電子遷移率隨之增加，但電流開(kāi)關(guān)比反而減小。綜合遷移率和電流開(kāi)關(guān)變化，2層/3層MoS₂FET是優(yōu)設(shè)計(jì)器件。此外，雙柵結(jié)構(gòu)也被證明可以改善對(duì)多層MoS₂通道的靜電控制。 

圖4 (a) 多層MoS₂結(jié)構(gòu)的制備/轉(zhuǎn)移流程示意；(b) 單層/雙層MoS₂薄膜的光學(xué)形貌；(c) 雙層MoS₂薄膜的AFM表面形貌結(jié)果；(d) 單層/雙層MoS₂薄膜的拉曼譜結(jié)果

圖5 (a) 背柵MoS₂FET陣列制備流程示意；(b) 利用無(wú)掩膜激光直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter）制備的MoS₂FET器件的表面光學(xué)形貌（利用MicroWriter特有的虛擬掩膜對(duì)準(zhǔn)技術(shù)(VMA)，可以高效直觀地在感興趣區(qū)域?qū)崿F(xiàn)圖形曝光）；(c-f) 不同結(jié)構(gòu)的MoS₂FET器件的輸出特性及轉(zhuǎn)移特性測(cè)量結(jié)果

圖6 (a) 利用MicroWriter在Si/SiO₂晶圓上制備的大范圍MoS₂FET器件陣列，其中包含1層和2層MoS₂；(b) 相應(yīng)陣列區(qū)域的遷移率和閾值電壓分布結(jié)果，證明其優(yōu)異的均一特性

圖7 (a) 雙柵MoS₂器件的結(jié)構(gòu)原理；(b) 利用無(wú)掩膜激光直寫(xiě)系統(tǒng)（MicroWriter）制備的大面積雙柵MoS₂器件的形貌結(jié)果；(c, d) 2層MoS₂雙柵器件的電學(xué)測(cè)量結(jié)果。

　　相關(guān)參考：

　　1. 小型無(wú)掩膜光刻直寫(xiě)系統(tǒng)：http://www.qd-china.com/products2.aspx?id=297

　　2. High-Performance Wafer-Scale MoS₂Transistors toward Practical Application. Small 2018, 1803465

　　3. Wafer-scale transferred multilayer MoS₂for high performance field effect transistors. Nanotechnology, 2019, 30,174002