微納器件光刻好助手—— MicroWriter ML3

隨著國內(nèi)各學(xué)科的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級 , 相關(guān)的科研院所和企事業(yè)單位對各種微納器件光刻加工的需求日益增多。然而 , 這些微納器件光刻需求很難被傳統(tǒng)的掩模光刻設(shè)備所滿足 , 主要是因?yàn)閾碛羞@類光刻需求的用戶不僅需要制備出當(dāng)前的樣品 , 還需要對光刻結(jié)構(gòu)進(jìn)行夠迅速迭代和優(yōu)化。

為了滿足微納器件對光刻的需求 ,Quantum Design 中國推出了 MicroWriter ML3 無掩模光刻系統(tǒng)作為微納器件光刻的解決方案。與傳統(tǒng)的掩模光刻相比 ,MicroWriter ML3 根據(jù)用戶計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的圖形在光刻膠上制備出相應(yīng)的結(jié)構(gòu) , 節(jié)省了制備光刻板所需要的時(shí)間和經(jīng)費(fèi) , 可以實(shí)現(xiàn)用戶對光刻結(jié)構(gòu)快速迭代的需求。此外 ,MicroWriter ML3 可用于各類正性和負(fù)性光刻膠的曝光 , 最高光刻精度可達(dá) 0.4μm, 套刻精度 ±0.5μm, 最高曝光速度可達(dá) 180mm2/min。目前 ,MicroWriter ML3 在國內(nèi)的擁有量超過 150 臺 , 被用于各類微納器件的光刻加工。

人工智能領(lǐng)域器件制備

(資料圖片僅供參考)

人工智能相關(guān)的運(yùn)算通常需要進(jìn)行大量的連續(xù)矩陣計(jì)算。從芯片的角度來說 , 連續(xù)矩陣運(yùn)算主要需求芯片具有良好的乘積累加運(yùn)算 ( MAC ) 的能力。可以說 ,MAC 運(yùn)算能力決定了芯片在 AI 運(yùn)算時(shí)的表現(xiàn)。高效 MAC 運(yùn)算可以由內(nèi)存內(nèi)運(yùn)算技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)。然而 , 基于的馮諾依曼計(jì)算架構(gòu)的芯片在內(nèi)存和邏輯運(yùn)算之間存在著瓶頸 , 限制了內(nèi)存內(nèi)的高速 MAC 運(yùn)算。理想的 AI 芯片構(gòu)架不僅要有高效的內(nèi)存內(nèi)運(yùn)算能力 , 還需要具有非易失性 , 多比特存儲 , 可反復(fù)擦寫和易于讀寫等特點(diǎn)。

復(fù)旦大學(xué)包文中教授課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機(jī)制備出基于單層 MoS2 晶體管的兩晶體管一電容 ( 2T-1C ) 單元構(gòu)架 [ 1 ] 。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明 , 該構(gòu)架十分適用于 AI 計(jì)算。在該構(gòu)架中 , 存儲單元是一個(gè)類似 1T-1C 的動態(tài)隨機(jī)存儲器 ( DRAM ) , 其繼承了 DRAM 讀寫速度快和耐反復(fù)擦寫的優(yōu)點(diǎn)。此外 ,MoS2 晶體管極低的漏電流使得多層級電壓在電容中有更長的存留時(shí)間。單個(gè) MoS2 的電學(xué)特性還允許利用電容中的電壓對漏電壓進(jìn)行倍增 , 然后進(jìn)行模擬計(jì)算。乘積累加結(jié)果可以通過匯合多個(gè) 2T-1C 單元的電流實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 , 基于此構(gòu)架的芯片所訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別手寫數(shù)字可達(dá)到 90.3%。展示出 2T-1C 單元構(gòu)架在未來 AI 計(jì)算領(lǐng)域的潛力。相關(guān)工作發(fā)表在《Nature Communication》 ( IF=17.694) 。

圖 1. 兩晶體管一電容 ( 2T-1C ) 單元構(gòu)架和使用晶圓尺寸的 MoS2 所制備的集成電路。

( a ) 使用化學(xué)氣相沉積法 ( CVD ) 批量制備的晶圓尺寸的 MoS2。

( b ) CVD 合成的 MoS2 在不同位置的 Raman 光譜。

( c ) 在 2 英寸晶圓上使用MicroWriterML3制備的 24 個(gè) MoS2 晶體管的傳輸特性。

( d ) MicroWriterML3制備的 2T-1C 單元顯微照片。圖中比例尺為 100μm。

( e ) 2T-1C 單元電路示意圖 , 包括儲存和計(jì)算模塊。

( f ) 2T-1C 單元的三維示意圖 , 其中包括兩個(gè) MoS2 晶體管和一個(gè)電容組件。

( g ) 2T-1C 單元陣列的電路圖。

( h ) 典型卷積運(yùn)算矩陣。

生物微流控領(lǐng)域器件制備

釀酒酵母菌是一種具有高工業(yè)附加值的菌種 , 其在真核和人類細(xì)胞研究等領(lǐng)域也有著非常重要的作用。釀酒酵母菌由于自身所在的細(xì)胞周期不同 , 遺傳特性不同或是所處的環(huán)境不同可展現(xiàn)出球形單體 , 有芽雙體或形成團(tuán)簇等多種形貌。因此獲得具有高純度單一形貌的釀酒酵母菌無論是對生物學(xué)基礎(chǔ)性研究還是對應(yīng)用領(lǐng)域均有著非常重要的意義。

澳大利亞麥考瑞大學(xué) Ming Li 課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機(jī)制備了一系列矩形微流控通道 [ 2 ] 。在制備的微流控通道中 , 通過粘彈性流體和牛頓流體的共同作用對不同形貌的釀酒酵母菌進(jìn)行了有效的分類和收集。借助MicroWirterML3中所采用的無掩模技術(shù) , 課題組可以輕易實(shí)現(xiàn)對微流控傳輸通道長度的調(diào)節(jié) , 優(yōu)化出對不同形貌酵母菌進(jìn)行分類的最佳參數(shù)。相關(guān)工作結(jié)果在 SCI 期刊《Analytical Chemistry》 ( IF=8.08 ) 上發(fā)表。

圖 2. 在MicroWriterML3制備的微流控通道中利用粘彈性流體對不同形貌的釀酒酵母菌進(jìn)行微流控連續(xù)篩選。圖 3. 在MicroWriterML3制備的微流控流道中對不同形貌的釀酒酵母菌的分類和收集效果。

( a ) 為收集不同形貌釀酒酵母菌所設(shè)計(jì)的七個(gè)出口。

( b ) 不同形貌酵母菌在通過MicroWriterML3制備的流道后與入口處的對比。

( c ) MicroWriterML3制備的微流控連續(xù)篩選器件對不同形貌的酵母菌的篩選效果。從不同出口處的收集結(jié)果可以看出 , 單體主要在 O1 出口 , 形成團(tuán)簇的菌主要 O4 出口。

( d ) MicroWriterML3制備的微流控器件對不同形貌的釀酒酵母菌的分類結(jié)果 , 單體 ( 藍(lán)色 ) , 有芽雙體 ( 黃色 ) 和形成團(tuán)簇 ( 紫色 ) 。

( e ) 和 ( f ) 不同出口對不同形貌的釀酒酵母菌的分離和收集結(jié)果的柱狀圖。誤差棒代表著三次實(shí)驗(yàn)的誤差結(jié)果。

醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域器件制備

在新冠疫情大流行的背景下 , 從大量人群中快速篩查出受感染個(gè)體對于流行病學(xué)研究有著十分重要的意義。目前 , 新冠病毒診斷采用的普遍標(biāo)準(zhǔn)主要是基于分析逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng) , 可是在檢測中核酸提取和擴(kuò)增程序耗時(shí)較長 , 很難滿足對廣泛人群進(jìn)行篩查的要求。

復(fù)旦大學(xué)魏大程教授課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機(jī)制備出基于石墨烯場效應(yīng)晶體管 ( g-FET ) 的生物傳感器 [ 3 ] 。該傳感器上擁有 Y 形 DNA 雙探針 ( Y- 雙探針 ) , 可用于新冠病毒的核酸檢測分析。該傳感器中的雙探針設(shè)計(jì) , 可以同時(shí)靶向 SARS-CoV-2 核酸的 ORF1ab 和 N 基因 , 從而實(shí)現(xiàn)更高的識別率和更低的檢出極限 ( 0.03 份 μL?1 ) 。這一檢出極限比現(xiàn)有的核酸分析低 1-2 個(gè)數(shù)量級。該傳感器最快的核酸檢測速度約為 1 分鐘 , 并實(shí)現(xiàn)了直接的五合一混合測試。由于快速、超靈敏、易于操作的特點(diǎn)以及混合檢測的能力 , 這一傳感器在大規(guī)模范圍內(nèi)篩查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的前景。該工作發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》 ( IF=16.383) 。

圖 4. 利用MicroWriterML3制備基于 g-FET 的 Y 形雙探針生物傳感器。

( a ) Y 形雙探針生物傳感器進(jìn)行 SARS-CoV-2 核酸檢測的流程圖。

( b ) 選定的病毒序列和探針在檢測 SARS-CoV-2 時(shí)所靶向的核酸。ORF1ab: 非結(jié)構(gòu)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: 核衣殼蛋白基因。圖中數(shù)字表示 SARS-CoV-2 NC_045512 在 GenBank 中基因組的位置。

( c ) 經(jīng)過MicroWriterML3光刻制備的生物傳感器的封裝結(jié)果。圖中的比例尺為 1cm。

( d ) 通過MicroWriterML3制備的石墨烯通道的光學(xué)照片。

( e ) 在石墨烯上的 Cy3 共軛 Y 型雙探針。圖中的比例尺為 250μm。

二維材料場效應(yīng)管器件制備

石墨烯的發(fā)現(xiàn)為人類打開了二維材料的大門 , 經(jīng)歷十多年的研究 , 二維材料表現(xiàn)出的各種優(yōu)良性能依然吸引著人們。然而 , 在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用二維材料仍然存在著很多問題 , 所制成的器件不能符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

近日 , 復(fù)旦大學(xué)包文中教授課題組通過利用機(jī)器學(xué)習(xí) ( ML ) 算法來評估影響工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù) MoS2 頂柵場效應(yīng)晶體管 ( FET ) 的電氣特性 [ 4 ] 。晶圓尺寸的器件制備的優(yōu)化是利用先利用機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)制造過程 , 然后使用MicroWriterML3無掩膜光刻機(jī)進(jìn)行制備 , 最終優(yōu)化了遷移率、閾值電壓和亞閾值擺幅等性能。相關(guān)工作結(jié)果發(fā)表在《Nature Communication》 ( IF=17.694 ) 。

圖 5. MoS2 FETs 的邏輯電路圖。

( a ) , ( b ) , ( c ) 和 ( d ) 各類電壓對器件的影響。

( e ) 使用MicroWriterML3無掩膜激光直寫機(jī)制備的正反器和 ( f ) 相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

( g ) 使用MicroWriterML3無掩膜激光直寫機(jī)制備的加法器和 ( h ) 相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖 6. 利用 MoS2 FETs 制備的模擬 , 儲存器和光電電路。

( a ) 使用MicroWriterML3無掩膜光刻機(jī)制備的環(huán)形振蕩器和 ( b ) 相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

( c ) 通過MicroWriterML3制備的基于 MoS2 FETs 制備的存儲陣列和 ( d-f ) 相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

( g ) 利用MicroWriterML3制備的光電電路和 ( h-i ) 相應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果。

圖 7. 使用MicroWriterML3無掩膜激光直寫機(jī)在晶圓上制備 MoS2 場效應(yīng)管。

( a ) MicroWriterML3在兩寸晶圓上制備的基于 MoS2 場效應(yīng)管的加法器。

( b ) , ( c ) 和 ( d ) 在晶圓上制備加法器的運(yùn)算結(jié)果。

鈣鈦礦材料柔性器件制備

質(zhì)子束流的探測在光學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和用于癌癥治療的強(qiáng)子療法等領(lǐng)域是十分重要的一項(xiàng)技術(shù)。傳統(tǒng)硅材料制備的場效應(yīng)管裝置由于價(jià)格昂貴很難被大規(guī)模用于質(zhì)子束流的探測。塑料閃爍體和閃爍纖維也可以被用于質(zhì)子束流的探測。可是基于上述材料的設(shè)備需要復(fù)雜的同步和校正過程 , 因此也很難被大規(guī)模推廣應(yīng)用。在最近十年間科學(xué)家把目光投向了新材料 , 為了找出一種同時(shí)具有出色的力學(xué)性能和造價(jià)低廉的材料 , 用以大規(guī)模制質(zhì)子束流探測設(shè)備。鈣鈦礦材料近來被認(rèn)為是制備質(zhì)子束流探測器的理想材料。首先 , 鈣鈦礦材料可以通過低溫沉積的方法制備到柔性基底上。第二 , 該材料的制造成本相對較低。鈣鈦礦材料已被用于探測高能光子 , 阿爾法粒子 , 快中子和熱中子等領(lǐng)域。對于利用鈣鈦礦材料制備的探測器探測質(zhì)子束的領(lǐng)域尚屬空白。

近日 , 意大利博洛尼亞大學(xué) Ilaria Fratelli 教授課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機(jī)制備出用于質(zhì)子束探測的 3D-2D 混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測器 [ 5 ] 。在 5MeV 質(zhì)子的條件下 , 探測器的探測束流范圍為從 4.5 ×105 到 1.4 ×109 H+ cm?2 s?1, 可連續(xù)檢測的輻射最高敏感度為 290nCGy?1mm?3, 檢測下限為 72μGy s?1。該工作結(jié)果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》 ( IF=17.521) 。

圖 8. MicroWriterML3在 PET 柔性基板上制備的 3D-2D 鈣鈦礦薄膜器件。

( A ) MAPbBr3 ( 3D ) 和 ( PEA ) 2PbBr4 ( 2D ) 鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

( B ) 通過MicroWriterML3無掩模激光直寫機(jī)制備出的檢測器 , 圖中標(biāo)尺長度為 500μm。

( c ) 3D-2D 混合鈣鈦礦材料的低掠射角 XRD 結(jié)果。

( d ) 3D-2D 混合鈣鈦礦材料的 AFM 表面形貌圖。

圖 9. 3D-2D 鈣鈦礦材料的電學(xué)和光電學(xué)方面的性能。

( A ) 由MicroWriterML3無掩模光刻機(jī)制備柔性器件。

( B ) 通過MicroWriterML3制備的柔性器件在不同彎曲程度條件下的電流 - 電壓曲線圖。

( C ) 3D-2D 鈣鈦礦材料柔性器件的 PL 光譜結(jié)果。

( D ) 3D-2D 鈣鈦礦材料柔性器件的紫外 - 可見光光譜。

參考文獻(xiàn)

[ 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.

MicroWriterML3無掩模光刻機(jī)簡介

MicroWriter ML3 無掩模直寫光刻系統(tǒng)由英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室 / 英國皇家科學(xué)院院士 Russell Cowburn 教授 ( https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr ) 根據(jù)其研究工作的需要而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的科研及研發(fā)生產(chǎn)光刻利器。

圖 10. a ) MicroWriter ML3 無掩模光刻系統(tǒng)。MicroWriter ML3b ) 在正膠上制備線寬為 400nm 的結(jié)構(gòu) ,c ) 正膠上制備的電極結(jié)構(gòu) ,d ) 在 SU8 負(fù)膠上制備的高深寬比結(jié)構(gòu)和 e ) 灰度微結(jié)構(gòu)。

MicroWriterML3的優(yōu)勢 :

1 ) 實(shí)驗(yàn)成本低 : 相比于傳統(tǒng)光刻機(jī) , 該光刻系統(tǒng)無需掩膜板 , 同時(shí)它也可以用來加工掩膜板 , 年均可節(jié)省成本數(shù)萬元 ;

2 ) 實(shí)驗(yàn)效率高 : 通過在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)圖案就可輕松實(shí)現(xiàn)不同的微納結(jié)構(gòu)或器件的加工 , 同時(shí)具有多基片自動順序加工功能 ;

3 ) 光刻精度高 : 系統(tǒng)具有多組不同分辨率的激光加工模塊 ( 0.4um,0.6um, 1um,2um, 5um ) , 且均可通過軟件自由切換 ;

4 ) 加工速度快 : 最高可實(shí)現(xiàn) 180mm2/min 的快速加工 ;

5 ) 具有 3D 加工能力 :256 級灰度 , 可實(shí)現(xiàn) Z 方向的不同深淺的加工 ;

6 ) 適用范圍廣 : 可根據(jù)光刻需求的不同 , 配備 365nm,385nm 和 405nm 波長光源或安裝不同波長雙光源 ;

7 ) 使用成本低 : 設(shè)備的采購 , 使用和維護(hù)成本低于常規(guī)的光刻系統(tǒng)。

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