成果速遞|小型無掩膜光刻直寫系統（MicroWriter）在復旦大學包文中教授課題組的新研究應用

　　隨著電子信息產業的高速發展，集成電路的需求出現了井噴式的增長。使得掩膜的需求急劇增加，目前制作掩膜的主要技術是電子束直寫，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移到了無掩膜光刻技術。

　　英國Durham Magneto Optics公司致力于研發小型臺式無掩膜光刻直寫系統（MicroWriter ML3），為微流控、MEMS、半導體、自旋電子學等研究領域提供方便高效的微加工方案。傳統的光刻工藝中所使用的鉻玻璃掩膜板需要由專業供應商提供，但是在研發過程中，掩膜板的設計通常需要根據實際情況多次改變。無掩膜光刻技術通過以軟件設計電子掩膜板的方法，克服了這一問題。與通過物理掩膜板進行光照的傳統工藝不同，激光直寫是通過電腦控制DMD微鏡矩陣開關，經過光學系統調制，在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。同時其還具備結構緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、高直寫速度，高分辨率（XY：<1 um）的特點。采用集成化設計，全自動控制，可靠性高，操作簡便。

　　復旦大學微電子學院包文中教授課題組主要的研究領域包括二維層狀材料的能帶調控、器件工藝及應用，包括二硫化鉬（MoS₂），黑磷等。近日，其課題組利用小型臺式無掩膜光刻直寫系統（MicroWriter ML3）在新型二維層狀材料MoS₂的器件制備、轉移和應用等方面取得了一系列矚目的研究成果： 

　　（一） SMALL: 高性能的具備實際應用前景的晶圓MoS₂晶體管

　　原子層的過渡金屬二硫化物（TMD）被認為是下一代半導體器件的重要研究熱點。然而，目前絕大部分的器件都是基于層間剝離來獲取金屬硫化物層，這樣只能實現微米的制備。在本文中，作者提出一種利用化學氣相沉積（CVD）制備多層MoS₂薄層，進而改善所制備器件的相關性能。采用四探針法測量證明接觸電阻降低一個數量。進一步，基于該法制備的連續大面積MoS₂薄層，采用小型無掩膜光刻直寫系統（MicroWriter ML3）構筑了頂柵場效應晶體管（FET）陣列。研究表明其閾值電壓和場效應遷移率均有明顯的提升，平均遷移率可以達到70 cm²V^-1s^-1，可與層間剝離法制備的MoS₂FET好結果相媲美。本工作創制了一種規?；苽涠STMD功能器件和集成電路應用的有效方法。 

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果。(g, h, i, j) 單層MoS₂邊界及多層MoS₂片層島的AFM測試結果，拉曼譜及光致發光譜結果

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

圖3. 利用無掩膜光刻直寫系統（MicroWriter）制備的大面積規模MoS₂FET陣列，及其場效應遷移率和閾值電壓的分布性測量結果，證明該規模MoS₂FET陣列具備優異且穩定的均一特性 

　　（二） Nanotechnology: 用于高性能場效應晶體管的晶圓可轉移多層MoS₂的制備

　　利用化學氣相沉積（CVD）制備半導體型過渡金屬二硫化物（TMD）是一種制備半導體器件的新途徑，然而實現連續均勻的多層TMD薄膜制備仍然需要克服特殊的生長動力學問題。在本文中，作者利用多層堆疊（layer-by-layer）及轉移工藝，制備出均勻、無缺陷的多層MoS₂薄膜。同時，利用無掩膜光刻直寫系統（MicroWriter）在其基礎上制備場效應晶體管（FET）器件。分別實現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，終發現隨著MoS₂堆疊層數的增加，電子遷移率隨之增加，但電流開關比反而減小。綜合遷移率和電流開關變化，2層/3層MoS₂FET是優設計器件。此外，雙柵結構也被證明可以改善對多層MoS₂通道的靜電控制。 

圖4 (a) 多層MoS₂結構的制備/轉移流程示意；(b) 單層/雙層MoS₂薄膜的光學形貌；(c) 雙層MoS₂薄膜的AFM表面形貌結果；(d) 單層/雙層MoS₂薄膜的拉曼譜結果

圖5 (a) 背柵MoS₂FET陣列制備流程示意；(b) 利用無掩膜激光直寫系統（MicroWriter）制備的MoS₂FET器件的表面光學形貌（利用MicroWriter特有的虛擬掩膜對準技術(VMA)，可以高效直觀地在感興趣區域實現圖形曝光）；(c-f) 不同結構的MoS₂FET器件的輸出特性及轉移特性測量結果

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) 相應陣列區域的遷移率和閾值電壓分布結果，證明其優異的均一特性

圖7 (a) 雙柵MoS₂器件的結構原理；(b) 利用無掩膜激光直寫系統（MicroWriter）制備的大面積雙柵MoS₂器件的形貌結果；(c, d) 2層MoS₂雙柵器件的電學測量結果。

　　相關參考：

　　1. 小型無掩膜光刻直寫系統：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