成果速递|小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）在复旦大学包文中教授课题组的新研究应用
发布日期：2019-12-08
随着电子信息产业的高速发展，集成电路的需求出现了井喷式的增长。使得掩膜的需求急剧增加，目前制作掩膜的主要技术是电子束直写，但该制作效率非常低下，并且成本也不容小觑，在这种背景下人们把目光转移到了无掩膜光刻技术。
英国Durham Magneto Optics公司致力于研发小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3），为微流控、MEMS、半导体、自旋电子学等研究领域提供方便高效的微加工方案。传统的光刻工艺中所使用的铬玻璃掩膜板需要由专业供应商提供，但是在研发过程中，掩膜板的设计通常需要根据实际情况多次改变。无掩膜光刻技术通过以软件设计电子掩膜板的方法，克服了这一问题。与通过物理掩膜板进行光照的传统工艺不同，激光直写是通过电脑控制DMD微镜矩阵开关，经过光学系统调制，在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。同时其还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、高直写速度，高分辨率（XY：<1 um）的特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。
复旦大学微电子学院包文中教授课题组主要的研究领域包括二维层状材料的能带调控、器件工艺及应用，包括二硫化钼（MoS2），黑磷等。近日，其课题组利用小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）在新型二维层状材料MoS2的器件制备、转移和应用等方面取得了一系列瞩目的研究成果：
（一） SMALL: 高性能的具备实际应用前景的晶圆级MoS2晶体管
原子层级的过渡金属二硫化物（TMD）被认为是下一代半导体器件的重要研究热点。然而，目前绝大部分的器件都是基于层间剥离来获取金属硫化物层，这样只能实现微米级的制备。在本文中，作者提出一种利用化学气相沉积（CVD）制备多层MoS2薄层，进而改善所制备器件的相关性能。采用四探针法测量证明接触电阻降低一个数量级。进一步，基于该法制备的连续大面积MoS2薄层，采用小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）构筑了顶栅极场效应晶体管（FET）阵列。研究表明其阈值电压和场效应迁移率均有明显的提升，平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1，可与层间剥离法制备的MoS2 FET好结果相媲美。本工作创制了一种规模化制备二维TMD功能器件和集成电路应用的有效方法。
图1. (a-e) 利用CVD法制备大面积多层MoS2的原理示意及形貌结果。(g, h, i, j) 单层MoS2边界及多层MoS2片层岛的AFM测试结果，拉曼谱及光致发光谱结果
图2. 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）在MoS2薄层上制备的多探针（二探针/四探针）测量系统，以及在不同条件下测量的接触电阻和迁移率结果。证明所制多层MoS2的平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1
图3. 利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）制备的大面积规模级MoS2 FET阵列，及其场效应迁移率和阈值电压的分布性测量结果，证明该规模级MoS2 FET阵列具备优异且稳定的均一特性
（二） Nanotechnology: 用于高性能场效应晶体管的晶圆级可转移多层MoS2的制备
利用化学气相沉积（CVD）制备半导体型过渡金属二硫化物（TMD）是一种制备半导体器件的新途径，然而实现连续均匀的多层TMD薄膜制备仍然需要克服特殊的生长动力学问题。在本文中，作者利用多层堆叠（layer-by-layer）及转移工艺，制备出均匀、无缺陷的多层MoS2薄膜。同时，利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）在其基础上制备场效应晶体管（FET）器件。分别实现1层、2层、3层和4层MoS2 FET的制备，并深入研究不同条件下器件的迁移率变化，终发现随着MoS2堆叠层数的增加，电子迁移率随之增加，但电流开关比反而减小。综合迁移率和电流开关变化，2层/3层MoS2 FET是优设计器件。此外，双栅极结构也被证明可以改善对多层MoS2通道的静电控制。
图4 (a) 多层MoS2结构的制备/转移流程示意；(b) 单层/双层MoS2薄膜的光学形貌；(c) 双层MoS2薄膜的AFM表面形貌结果；(d) 单层/双层MoS2薄膜的拉曼谱结果
图5 (a) 背栅极MoS2 FET阵列制备流程示意；(b) 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）制备的MoS2 FET器件的表面光学形貌（利用MicroWriter特有的虚拟掩膜对准技术(VMA)，可以高效直观地在感兴趣区域实现图形曝光）；(c-f) 不同结构的MoS2 FET器件的输出特性及转移特性测量结果
图6 (a) 利用MicroWriter在Si/SiO2晶圆上制备的大范围MoS2 FET器件阵列，其中包含1层和2层MoS2；(b) 相应阵列区域的迁移率和阈值电压分布结果，证明其优异的均一特性
图7 (a) 双栅极MoS2器件的结构原理；(b) 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）制备的大面积双栅极MoS2器件的形貌结果；(c, d) 2层MoS2双栅极器件的电学测量结果。
