微纳光刻好助手！小型台式无掩膜直写光刻系统
发布日期：2023-05-25
随着国内各学科的发展和产业的升级，相关的科研院所和企事业单位对各种微纳器件光刻加工的需求日益增多。然而，这些微纳器件光刻需求很难被传统的掩模光刻设备所满足，主要是因为拥有这类的光刻需求的用户不仅需要制备出当前的样品，还需要对光刻结构进行够迅速迭代和优化。
为了满足微纳器件对光刻的需求，Quantum Design中国推出了小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3作为微纳器件光刻的解决方案。与传统的掩模光刻相比，MicroWriter ML3根据用户计算机中设计的图形在光刻胶上制备出相应的结构，节省了制备光刻板所需要的时间和经费，可以实现用户对光刻结构快速迭代的需求。此外，MicroWriter ML3 可用于各类正性和负性光刻胶的曝光，最高光刻精度可达0.4 μm，套刻精度±0.5 μm，最高曝光速度可达180mm2/min。目前，MicroWriter ML3在国内的拥有量超过150台，被用于各类微纳器件的光刻加工。
人工智能领域器件制备
人工智能相关的运算通常需要进行大量的连续矩阵计算。从芯片的角度来说，连续矩阵运算主要需求芯片具有良好的乘积累加运算（MAC）的能力。可以说，MAC运算能力决定了芯片在AI运算时的表现。高效MAC运算可以由内存内运算技术直接实现。然而，基于的冯诺依曼计算架构的芯片在内存和逻辑运算之间存在着瓶颈，限制了内存内的高速MAC运算。理想的AI芯片构架不仅要有高效的内存内运算能力，还需要具有非易失性，多比特存储，可反复擦写和易于读写等特点。
复旦大学包文中教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备出基于单层MoS2晶体管的两晶体管一电容（2T-1C）单元构架[1]。经过实验证明，该构架十分适用于AI计算。在该构架中，存储单元是一个类似1T-1C的动态随机存储器（DRAM），其继承了DRAM读写速度快和耐反复擦写的优点。此外，MoS2晶体管极低的漏电流使得多层级电压在电容中有更长的存留时间。单个MoS2的电学特性还允许利用电容中的电压对漏电压进行倍增，然后进行模拟计算。乘积累加结果可以通过汇合多个2T-1C单元的电流实现。实验结果证明，基于此构架的芯片所训练的神经网络识别手写数字可达到90.3%。展示出2T-1C单元构架在未来AI计算领域的潜力。相关工作发表在《Nature Communication》（IF=17.694）。
图1. 两晶体管一电容（2T-1C）单元构架和使用晶圆尺寸的MoS2所制备的集成电路。
（a）使用化学气相沉积法（CVD）批量制备的晶圆尺寸的MoS2。
（b）CVD合成的MoS2在不同位置的Raman光谱。
（c）在2英寸晶圆上使用MicroWriter ML3制备的24个MoS2晶体管的传输特性。
（d）MicroWriter ML3制备的2T-1C单元显微照片。图中比例尺为100 μm。
（e）2T-1C单元电路示意图，包括储存和计算模块。
（f）2T-1C单元的三维示意图，其中包括两个MoS2晶体管和一个电容组件。
（g）2T-1C单元阵列的电路图。
（h）典型卷积运算矩阵。
生物微流控领域器件制备
酿酒酵母菌是一种具有高工业附加值的菌种，其在真核和人类细胞研究等领域也有着非常重要的作用。酿酒酵母菌由于自身所在的细胞周期不同，遗传特性不同或是所处的环境不同可展现出球形单体，有芽双体或形成团簇等多种形貌。因此获得具有高纯度单一形貌的酿酒酵母菌无论是对生物学基础性研究还是对应用领域均有着非常重要的意义。
澳大利亚麦考瑞大学Ming Li课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备了一系列矩形微流控通道[2]。在制备的微流控通道中，通过粘弹性流体和牛顿流体的共同作用对不同形貌的酿酒酵母菌进行了有效的分类和收集。借助MicroWirter ML3中所采用的无掩模技术，课题组可以轻易实现对微流控传输通道长度的调节，优化出对不同形貌酵母菌进行分类的最佳参数。相关工作结果在SCI期刊《Analytical Chemistry》（IF=8.08）上发表。
图2.在MicroWriter ML3制备的微流控通道中利用粘弹性流体对不同形貌的酿酒酵母菌进行微流控连续筛选。
图3.在MicroWriter ML3制备的微流控流道中对不同形貌的酿酒酵母菌的分类和收集效果。
（a）为收集不同形貌酿酒酵母菌所设计的七个出口。
（b）不同形貌酵母菌在通过MicroWriter ML3制备的流道后与入口处的对比。
（c）MicroWriter ML3制备的微流控连续筛选器件对不同形貌的酵母菌的筛选效果。从不同出口处的收集结果可以看出，单体主要在O1出口，形成团簇的菌主要O4出口。
（d）MicroWriter ML3制备的微流控器件对不同形貌的酿酒酵母菌的分类结果，单体（蓝色），有芽双体（黄色）和形成团簇（紫色）。
（e）和（f）不同出口对不同形貌的酿酒酵母菌的分离和收集结果的柱状图。误差棒代表着三次实验的误差结果。
医学检测领域器件制备
在新冠疫情大流行的背景下，从大量人群中快速筛查出受感染个体对于流行病学研究有着十分重要的意义。目前，新冠病毒诊断采用的普遍标准主要是基于分析逆转录聚合酶链反应，可是在检测中核酸提取和扩增程序耗时较长，很难满足对广泛人群进行筛查的要求。
复旦大学魏大程教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备出基于石墨烯场效应晶体管（g-FET）的生物传感器[3]。该传感器上拥有Y形DNA双探针（Y-双探针），可用于新冠病毒的核酸检测分析。该传感器中的双探针设计，可以同时靶向SARS-CoV-2核酸的ORF1ab和N基因，从而实现更高的识别率和更低的检出极限（0.03份μL−1)。这一检出极限比现有的核酸分析低1-2个数量级。该传感器最快的核酸检测速度约为1分钟，并实现了直接的五合一混合测试。由于快速、超灵敏、易于操作的特点以及混合检测的能力，这一传感器在大规模范围内筛查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的前景。该工作发表在《Journal of the American Chemical Society》（IF=16.383）。
图4. 利用MicroWriter ML3制备基于g-FET的Y形双探针生物传感器。
（a）Y形双探针生物传感器进行SARS-CoV-2核酸检测的流程图。
（b）选定的病毒序列和探针在检测SARS-CoV-2时所靶向的核酸。ORF1ab: 非结构多蛋白基因; S: 棘突糖蛋白基因; E: 包膜蛋白基因; M: 膜蛋白基因; N: 核衣壳蛋白基因。图中数字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因组的位置。
（c）经过MicroWriter ML3光刻制备的生物传感器的封装结果。图中的比例尺为1 cm。
（d）通过MicroWriter ML3制备的石墨烯通道的光学照片。
（e）在石墨烯上的Cy3共轭Y型双探针。图中的比例尺为250 μm。
二维材料场效应管器件制备
石墨烯的发现为人类打开了二维材料的大门，经历十多年的研究，二维材料表现出的各种优良性能依然吸引着人们。然而，在工业上大规模应用二维材料仍然存在着很多问题，所制成的器件不能符合工业标准。
近日，复旦大学包文中教授课题组通过利用机器学习 (ML) 算法来评估影响工艺的关键工艺参数MoS2顶栅场效应晶体管 (FET) 的电气特性[4]。晶圆尺寸的器件制备的优化是利用先利用机器学习指导制造过程，然后使用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3进行制备，最终优化了迁移率、阈值电压和亚阈值摆幅等性能。相关工作结果发表在《Nature Communication》（IF=17.694）。
图5. MoS2 FETs的逻辑电路图。
（a），（b），（c）和（d）各类电压对器件的影响。
（e）使用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备的正反器和（f）相应实验结果
（g）使用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备的加法器和（h）相应的实验结果。
图6. 利用MoS2 FETs制备的模拟，储存器和光电电路。
（a）使用MicroWriter ML3无掩膜光刻机制备的环形振荡器和（b）相应的实验结果。
（c）通过MicroWriter ML3制备的基于MoS2 FETs制备的存储阵列和（d-f）相应的实验结果。
（g）利用MicroWriter ML3制备的光电电路和（h-i）相应的表现结果。
图7. 使用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3在晶圆上制备MoS2场效应管。
（a）MicroWriter ML3在两寸晶圆上制备的基于MoS2场效应管的加法器。
（b），（c）和（d）在晶圆上制备加法器的运算结果。
钙钛矿材料柔性器件制备
质子束流的探测在光学基础物理实验和用于癌症治疗的强子疗法等领域是十分重要的一项技术。传统硅材料制备的场效应管装置由于价格昂贵很难被大规模用于质子束流的探测。塑料闪烁体和闪烁纤维也可以被用于质子束流的探测。可是基于上述材料的设备需要复杂的同步和校正过程，因此也很难被大规模推广应用。在最近十年间科学家把目光投向了新材料，为了找出一种同时具有出色的力学性能和造价低廉的材料，用以大规模制质子束流探测设备。钙钛矿材料近来被认为是制备质子束流探测器的理想材料。首先，钙钛矿材料可以通过低温沉积的方法制备到柔性基底上。第二，该材料的制造成本相对较低。钙钛矿材料已被用于探测高能光子，阿尔法粒子，快中子和热中子等领域。对于利用钙钛矿材料制备的探测器探测质子束的领域尚属空白。
近日，意大利博洛尼亚大学Ilaria Fratelli教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3制备出用于质子束探测的3D-2D混合钙钛矿柔性薄膜检测器[5]。在5MeV质子的条件下，探测器的探测束流范围为从4.5 × 105 到 1.4 × 109 H+ cm−2 s−1，可连续检测的辐射最高敏感度为290nCGy−1mm−3，检测下限为72 μGy s−1。该工作结果发表在学术期刊《Advanced Science》（IF=17.521）。
图8. MicroWriter ML3在PET柔性基板上制备的3D-2D钙钛矿薄膜器件。
（A）MAPbBr3 (3D) 和(PEA)2PbBr4 (2D)钙钛矿材料的结构示意图。
（B）通过MicroWriter ML3无掩模激光直写机制备出的检测器，图中标尺长度为500 μm。
（c）3D-2D混合钙钛矿材料的低掠射角XRD结果。
（d）3D-2D混合钙钛矿材料的AFM表面形貌图。
图9. 3D-2D钙钛矿材料的电学和光电学方面的性能。
（Ａ）由MicroWriter ML3无掩模光刻机制备柔性器件。
（Ｂ）通过MicroWriter ML3制备的柔性器件在不同弯曲程度条件下的电流－电压曲线图。
（Ｃ）3D-2D钙钛矿材料柔性器件的PL光谱结果。
（Ｄ）3D-2D钙钛矿材料柔性器件的紫外－可见光光谱。
参考文献
[1] Y. Wang, et al. An in-memory computing architecture based on two-dimensional semiconductors for multiply-accumulate operations. Nature Communications, 12, 3347 (2021).
[2] P. Liu, et al. Separation and Enrichment of Yeast Saccharomyces cerevisiae by Shape Using Viscoelastic Microfluidics. Analytical Chemistry, 2021, 93, 3, 1586–1595.
[3] D. Kong, et al. Direct SARS-CoV-2 Nucleic Acid Detection by Y-Shaped DNA Dual-Probe Transistor Assay. Journal of the American Chemical Society, 2021, 143, 41, 17004.
[4] X. Chen, et al. Wafer-scale functional circuits based on two dimensional semiconductors with fabrication optimized by machine learning. Nature Communications, 12, 5953 (2021).
[5] L. Basirico, et al. Mixed 3D–2D Perovskite Flexible Films for the Direct Detection of 5 MeV Protons. Advanced Science, 2023,10, 2204815.
小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3简介
小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3由英国剑桥大学卡文迪许实验室主任/英国皇家科学院院士Cowburn教授根据其研究工作的需要而专门设计开发的科研及研发生产光刻利器。
图10. a)小型台式无掩膜直写光刻系统MicroWriter ML3。MicroWriter ML3 b)在正胶上制备线宽为400 nm的结构，c)正胶上制备的电极结构，d)在SU8负胶上制备的高深宽比结构和e)灰度微结构。
MicroWriter ML3的优势：
☛ 实验成本低：相比于传统光刻机，该光刻系统无需掩膜板，同时它也可以用来加工掩膜板，年均可节省成本数万元；
☛ 实验效率高：通过在计算机上设计图案就可轻松实现不同的微纳结构或器件的加工，同时具有多基片自动顺序加工功能；
☛ 光刻精度高：系统具有多组不同分辨率的激光加工模块(0.4 μm，0.6 μm， 1 μm，2 μm, 5 μm)，且均可通过软件自由切换；
☛ 加工速度快：最高可实现180 mm2/min的快速加工；
☛ 具有3D加工能力：256级灰度，可实现Z方向的不同深浅的加工；
☛ 适用范围广：可根据光刻需求的不同，配备365 nm，385 nm和405 nm波长光源或安装不同波长双光源；
☛ 使用成本低：设备的采购，使用和维护成本低于常规的光刻系统。
