溶液法制备大面积均匀半导体薄膜

南方科技大学徐强教授课题组Small：溶液法制备大面积均匀半导体薄膜

【文章信息】

溶液法制备大面积均匀半导体薄膜

第一作者：李文华

通讯作者：徐强*

单位：南方科技大学

【研究背景】

半导体薄膜工程技术在先进电子技术的发展中起着至关重要的作用。在自由曲面上高效、低成本地印刷均匀的纳米膜对于电子工业的实际工业化具有重要意义。本文报道了一种在自由曲面上制备大面积均匀半导体纳米膜的高通量胶体印刷（HTCP）策略。高通量和均匀打印依赖于雾化和蒸发的平衡，以及引入的胶体分散的热马兰戈尼流，这抑制了向外的毛细管流动。具有原位加热的胶体印刷能够在自由形状的表面上，例如SiO2/Si、Al2O3、石英玻璃、聚对苯二甲酸乙酯（PET）、铝箔、塑料管和Ni泡沫等，快速制造大面积半导体纳米膜，扩展其技术应用。本工作将打印的SnS2纳米膜集成到薄膜半导体气体传感器中，所制备的器件具有极快的响应速度（8 s）和灵敏度（Rg/Ra = 21）（10 ppm NO2），以及46 ppt的超低检测限（LOD）。在自由曲面上以高通量印刷均匀半导体纳米膜的能力有望低成本、高效率地开发下一代电子产品。

【文章简介】

近日，来自南方科技大学的徐强教授 ，在国际期刊Small 上发表题为“Solution-processable route for large-area uniform 2D Semiconductor Nanofilms” 的研究论文。该工作展示了一种溶液可处理的策略来制备大面积的半导体薄膜材料。

图1. 高通量胶体印刷策略制备半导体纳米膜。a）自由曲面上HTCP法制备均匀纳米膜。b）用于半导体纳米膜制造的印刷加热装置。c）蒸发过程中的热马兰戈尼流和毛细流。d）SnS2胶体的丁达尔效应。e）厚度为≈3-5 nm（≈6-9原子层）的SnS2纳米片。f） SnS2纳米片的HRTEM图像，图中为（001）晶格条纹间距为0.58 nm的晶格平面。右上是沿虚线的亮度轮廓，右下是FFT模式由(f)中的图像变换而来。

图2 SnS2纳米印刷膜的表征。喷涂体积为a）0.25，b）0.50，c）1，d）1.50，e）2，f）2.50，g）3ml的SnS2纳米膜的SEM横截面图像，对应膜厚分别为110、210、320、430、610、750、980 nm。h）喷涂体积与SnS2纳米膜厚度呈线性关系。i） 原子层沉积（ALD）、化学浴沉积（CBD）和本工作中所制薄膜厚度与制备时间的关系。印刷在j）不同平面衬底（SiO2/Si, Al2O3, PET和Al箔），k）曲面和l)多孔表面上的SnS2纳米膜照片，喷涂量为2ml。

图3 HTCP方法批量制备化学电阻式气体传感器。a）HTCP策略在Au IDE衬底上的集成半导体纳米膜。b）Au IDE上印刷SnS2纳米膜数码照片。c）SnS2上的NO2传感机理示意图。d）SnS2-spray-2纳米膜传感器的电阻随温度变化图。e）响应值与温度关系示意图。f）不同厚度的纳米膜对10 ppm NO2的响应。g）响应-恢复时间曲线（10 ppm NO2）。h）浓度依赖的响应-恢复曲线。i）响应-浓度log-log图。j）传感器的循环测试曲线。k）器件的选择性。l）胶体印刷的SnS2纳米膜和基于其他SnS2的二氧化氮传感器响应值和响应时间的比较。

【本文要点】

要点一：高通量策略制备晶圆级半导体薄膜

我们报道了一种低成本的高通量胶体印刷（HTCP）策略来制造晶圆级和均匀的半导体纳米膜。均匀沉积的关键在于我们发现了在打印加热过程中前所未有的增强的热马兰戈尼流，以抑制向外的毛细管流动。

要点二：所制备的半导体膜具有广泛的基底适应性并可用于高效气体传感器

纳米片胶体允许在自由曲面上印刷大面积半导体纳米膜，包括平面或弯曲的衬底，扩大了此类材料在依赖于衬底的技术中的应用。印刷的半导体纳米膜可用于大批量制造具有最快响应（8 s）的化学电阻气体传感器，同时保持最高灵敏度以及46 ppt的超低LOD。

要点三：本策略具有一定的通用性

这种HTCP策略也可以应用于合成其他大面积半导体纳米膜，包括金属氧化物（如TiO2）和金属有机骨架（如Cu-TCPP）。这种在自由曲面上以高通量印刷均匀半导体纳米膜的方法为开发下一代先进电子产品奠定了基础。

【文章链接】

Solution-processable route for large-area uniform 2D Semiconductor Nanofilms

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202311361

【第一作者简介】

李文华 博士简介：李文华，2019年博士毕业于中国科学院大学。2021年加入南方科技大学徐强院士课题组从事博士后研究，主要研究领域为半导体晶态功能薄膜材料的制备及其在气体传感领域的应用。迄今共发表SCI论文20余篇，其中以第一作者（共同第一作者）和通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Small, J. Mater. Chem. A，EnergyChem，CrystEngComm等发表论文多篇。

【通讯作者简介】

徐强 教授简介：南方科技大学讲席教授，日本工程院院士，印度国家科学院院士，欧洲科学院院士。曾先后任日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学、京都大学教授（兼）。2014-2023年连续入选汤森路透-科睿唯安全球高被引学者，曾获汤森路透研究前沿奖、洪堡研究奖及市村地球环境学术奖等。担任《EnergyChem》主编，《Coord. Chem. Rev.》副主编，《Chem》、《Matter》、《Advanced Energy Materials》、《Chem. Asian J.》等期刊编委。中国能源学会专家委员会副主任。目前主要致力于金属有机框架 （MOF）及衍生物等材料的可控制备及其在催化、能源、环境及传感等领域的应用。个人简介链接：https://faculty.sustech.edu.cn/xuq/

【课题组招聘】

徐强课题组高薪招聘多名博士后（化学/材料）

根据课题组发展需求，课题组拟招聘博士后若干，拟招聘研究方向：热/光/电催化、电池、传感、理论计算或透射电镜表征等。

岗位要求

1. 具有催化（热/光/电）、电池、传感、理论计算或透射电镜等相关专业领域博士学位；

2. 具有良好的英语写作和交流能力，并以第一作者在材料/化学领域国际高水平期刊上发表过2篇及以上学术论文；

3. 有责任心和团队合作精神，具有独立研究能力及较高执行力。

拟聘人员薪资福利待遇

1. 博士后聘用期为两年，年薪33.5万元左右，含广东省生活补助15万元（税前）及深圳市生活补助6万元（税后），参照校内同级人员的标准缴纳养老保险、住房公积金以及发放相关福利；

2. 特别优秀候选人可以申请校长卓越博士后，年薪可达50万元（含广东省及深圳市补助）；

3. 拥有优良的工作环境和境内外合作交流机会，博士后在站期间享受两年共计2.5万学术交流经费资助；

4. 课题组提供充足的科研支持，协助作为负责人申请中国博士后科学基金、国家自然科学基金及广东省、深圳市各级科研项目；

5. 课题组协助符合条件的博士后申请“广东省海外青年博士后引进项目”。即在世界排名前200名的高校（不含境内，排名以上一年度泰晤士、USNEWS、QS和上海交通大学的世界大学排行榜为准）获得博士学位，在广东省博士后设站单位从事博士后研究，并承诺在站2年以上的博士后，申请成功后省财政给予每名进站博士后资助60万元生活补贴（与广东省每年15万生活补助不同时享受，与深圳市每年6万元生活补助同时享受情况下以深圳市规定为准）；

6. 对获得本项目资助，出站后与广东省用人单位签订工作协议或劳动合同，并承诺连续在粤工作3年以上的博士后，省财政给予每人40万元住房补贴（以最新的人才政策为准）；

7. 博士后出站选择留深从事科研工作，且与本市企事业单位签订3年以上劳动（聘用）合同的，可以申请深圳市博士后留深来深科研资助。深圳市政府给予每人每年10万元科研资助，共资助3年（以最新的人才政策为准）。

招聘程序及联系方式

1）请将应聘材料发至：xuq@sustech.edu.cn;

2）邮件主题、附件命名请比照以下格式：博士后+姓名+毕业（或在学）院校；

3）电子邮件的正文应该简要介绍自身情况；邮件附件包含：详细的个人简历（包括个人基本情况、教育背景和工作经历、科研工作概述、论文发表情况等）。

揭秘半导体制程：薄膜制备、光刻和刻蚀三大关键技术

在微电子工程领域，半导体制造是最关键的过程之一。从科研实验室的小型设备到大规模生产线，每一颗半导体芯片的诞生都需要经过精细的设计和繁复的制程。这一过程中，有三项工艺尤为重要，它们分别是：薄膜制备、光刻和刻蚀。本文将重点介绍这三个关键工艺的基本原理和应用。

薄膜制备

薄膜制备是半导体制程中的基础工艺之一。一般而言，薄膜制备是指在半导体硅片上形成一层厚度均匀、结构一致的绝缘材料或金属薄膜。制备薄膜的方法主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）等。

物理气相沉积是一种通过物理方式将靶材料的原子或分子“喷射”到硅片表面，形成薄膜的方法。化学气相沉积则是利用化学反应生成沉积物质，从而在硅片上形成薄膜。原子层沉积则是以原子级别进行控制，使得沉积物质在硅片上均匀分布。

光刻

光刻是一种通过使用紫外线或更短波长的光线将微细图案转移到硅片表面的工艺。其过程中会使用一种叫做光刻胶的感光材料，将光源的光线投射到已经涂抹了光刻胶的硅片上。经过照射后的光刻胶会发生化学反应，部分结构变得可以被溶剂溶解。通过这种方式，将图案转移到硅片上。

光刻胶经过显影、烘烤和清洗后，光刻胶表面就形成了预先设计的图案。这个图案可以是晶体管、电阻或电容等电子元件的形状，这些元件是半导体芯片的基本构成单位。光刻是实现集成电路中细小特征的关键工艺，决定了半导体设备的尺寸和性能。

刻蚀

刻蚀是将硅片上多余的材料去除，形成微观结构的过程。根据需要去除材料的种类和所需的精度，刻蚀工艺可以分为湿刻蚀和干刻蚀两种。

湿刻蚀是将硅片浸入腐蚀液中，利用腐蚀液的化学性质将硅片上的某些材料腐蚀掉。这种方法简单、成本低，但精度较低，不适合制作细小的结构。

干刻蚀是使用高能离子束或等离子体来去除硅片上的材料。这种方法精度高，适合制作微细结构，但成本较高。

薄膜制备、光刻和刻蚀三者相辅相成，共同构成了半导体制程的主体。在这三个步骤中，每一步都需要精确控制，以确保最后生产出来的半导体芯片的质量和性能。而在不断的技术进步下，半导体制造工艺将会更加精细，能够制造出更高性能、更小尺寸的半导体芯片，满足未来科技发展的需求。

薄膜制备的重要性

在半导体工艺中，薄膜制备不仅关乎到材料特性的展现，更涉及到了后续的光刻和刻蚀过程。薄膜的质量和厚度将会直接影响到芯片的电学性能和可靠性。同时，如何在大面积的硅片上实现均匀、高质量的薄膜制备，也是半导体制程中的一大挑战。因此，对于薄膜制备工艺的研究和优化，是提升半导体芯片性能的关键一环。

光刻工艺的发展和挑战

光刻工艺作为半导体制程中的重要环节，其发展水平直接决定了集成电路的集成度。随着摩尔定律的不断推进，光刻技术已从早期的g线（436nm）和i线（365nm）光刻，发展到深紫外光刻、193nm干湿光刻、甚至是最新的极紫外（EUV）光刻技术。

然而，光刻技术也面临着挑战。光源、光刻胶、掩模和光刻设备等的技术壁垒，制约着半导体工艺的进一步发展。例如，尽管EUV光刻可以提供更短的波长和更高的解析度，但它的光源稳定性、光刻胶耐刻性、掩模工艺以及设备成本等问题，都是亟待解决的难题。

刻蚀工艺的精准性与复杂性

刻蚀工艺在半导体制程中扮演了“雕刻师”的角色，是形成微电子器件三维结构的重要步骤。无论是简单的平面微电子器件，还是复杂的三维堆叠结构，都离不开刻蚀工艺的精细雕琢。

然而，刻蚀并非一帆风顺。湿刻蚀的难度在于控制刻蚀的深度和均匀性，而干刻蚀则需面对如何在高能离子束的轰击下保持刻蚀的精准度和形状控制。尤其是在制作高深宽比的微观结构时，刻蚀过程的复杂性和挑战性更是显而易见。

结语

半导体制造工艺的发展，无疑是科技进步的缩影。在这个过程中，薄膜制备、光刻和刻蚀这三项关键技术，既是半导体制程的主要步骤，也是技术发展的主要驱动力。然而，随着设备尺寸的不断缩小和性能的不断提升，未来的半导体制造将会面临更多挑战。如何克服这些挑战，优化和改进这三项关键工艺，将是未来半导体工业的重要课题。

相关问答

半导体薄膜设备的原理?

半导体薄膜的原理是:在原本导电能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他元素,使半导体的导电性能发生显著变化。这些微量元素被称为杂质,掺杂后的半导体称为杂质...

半导体薄膜工艺的重要性?

由于半导体制造是在硅片上加工出各种微观结构,因此除了原始的硅基材料外还需要通过薄膜“加法”引入非硅材料(如非硅介质层、金属层)实现不同功能。除添加新...

都说半导体制造工艺复杂，但具体的芯片生产流程是怎样的?

数码科技半导体,风土人文和地理。大家好我是涉猎领域较为宽泛的一大木~集成电路制造本人最近刚参加一次完整的流片过程,具体可以做出以下回答。一、工艺原理...

半导体如此火爆，细分领域如何?有哪些实质性业务的上市公司?

你好,我是猴子的棒子,一个泛科技领域的创作者。很高兴能回答您的问题。首先,我们看一下半导体行业从上游到中游的整个过程中会涉及到的产业链,半导体的下游...

ndc薄膜是什么?

NDC薄膜是一种碳化硅薄膜。近年来,在半导体晶圆制造厂中的半导体晶圆制造流程设备,通常会用到掺杂碳化硅薄膜(NitrideDopedSiliconCarbide,简称NDC)作为介...

薄膜什么意思?

是一种薄而软的透明薄片。用塑料、胶粘剂、橡胶或其他材料制成。薄膜科学上的解释为:由原子,分子或离子沉积在基片表面形成的2维材料。例:光学薄膜、复合薄膜...

山东大学晶体材料研究所怎么样?设有哪些专业?申请方

[回答]功能晶体的设计和探索,实用...研究所的任务是:从事人工晶体及相关材料的组成、基团、结构和功能性质之间关系的探索和研究、设计和制备新的功能材...

半导体材料研发流程?

每个半导体元件产品的制造都需要数百道工序。经过整理,整个制造过程分为八个步骤:晶圆加工、氧化、光刻、蚀刻、薄膜沉积、互连、测试、封装。每个步骤又分若...

p型薄膜晶体管是什么?

p型薄膜晶体管就是将聚合物成膜在电极之间,制成基于聚合物的薄膜晶体管。所用的聚合物具有导电性,其电荷迁移率可以与无机半导体相比。聚合物薄膜晶体管的优势...

全息数据容易被外部紫外线破坏，这方面的技术是否已有新突破?

一支来自中国的科学家团队,已经开发出了一种新型纳米级胶片。这项新技术,能够以3D全息图的形式存储信息,从而提高数据密度、读写速度、以及在严酷条件下的...