隨著國內各學科的發展和產業升級 , 相關的科研院所和企事業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的掩模光刻設備所滿足 , 主要是因為擁有這類光刻需求的用戶不僅需要制備出當前的樣品 , 還需要對光刻結構進行夠迅速迭代和優化。

為了滿足微納器件對光刻的需求 ,Quantum Design 中國推出了 MicroWriter ML3 無掩模光刻系統作為微納器件光刻的解決方案。與傳統的掩模光刻相比 ,MicroWriter ML3 根據用戶計算機中設計的圖形在光刻膠上制備出相應的結構 , 節省了制備光刻板所需要的時間和經費 , 可以實現用戶對光刻結構快速迭代的需求。此外 ,MicroWriter ML3 可用于各類正性和負性光刻膠的曝光 , 最高光刻精度可達 0.4μm, 套刻精度 ±0.5μm, 最高曝光速度可達 180mm2/min。目前 ,MicroWriter ML3 在國內的擁有量超過 150 臺 , 被用于各類微納器件的光刻加工。

人工智能領域器件制備

(資料圖片僅供參考)

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

復旦大學包文中教授課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機制備出基于單層 MoS2 晶體管的兩晶體管一電容 ( 2T-1C ) 單元構架 [ 1 ] 。經過實驗證明 , 該構架十分適用于 AI 計算。在該構架中 , 存儲單元是一個類似 1T-1C 的動態隨機存儲器 ( DRAM ) , 其繼承了 DRAM 讀寫速度快和耐反復擦寫的優點。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間。單個 MoS2 的電學特性還允許利用電容中的電壓對漏電壓進行倍增 , 然后進行模擬計算。乘積累加結果可以通過匯合多個 2T-1C 單元的電流實現。實驗結果證明 , 基于此構架的芯片所訓練的神經網絡識別手寫數字可達到 90.3%。展示出 2T-1C 單元構架在未來 AI 計算領域的潛力。相關工作發表在《Nature Communication》 ( IF=17.694) 。

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

( a ) 使用化學氣相沉積法 ( 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 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 , 包括儲存和計算模塊。

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

( g ) 2T-1C 單元陣列的電路圖。

( h ) 典型卷積運算矩陣。

生物微流控領域器件制備

釀酒酵母菌是一種具有高工業附加值的菌種 , 其在真核和人類細胞研究等領域也有著非常重要的作用。釀酒酵母菌由于自身所在的細胞周期不同 , 遺傳特性不同或是所處的環境不同可展現出球形單體 , 有芽雙體或形成團簇等多種形貌。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基礎性研究還是對應用領域均有著非常重要的意義。

澳大利亞麥考瑞大學 Ming Li 課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機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行了有效的分類和收集。借助MicroWirterML3中所采用的無掩模技術 , 課題組可以輕易實現對微流控傳輸通道長度的調節 , 優化出對不同形貌酵母菌進行分類的最佳參數。相關工作結果在 SCI 期刊《Analytical Chemistry》 ( IF=8.08 ) 上發表。

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行微流控連續篩選。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計的七個出口。

( 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果可以看出 , 單體主要在 O1 出口 , 形成團簇的菌主要 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果 , 單體 ( 藍色 ) , 有芽雙體 ( 黃色 ) 和形成團簇 ( 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果的柱狀圖。誤差棒代表著三次實驗的誤差結果。

醫學檢測領域器件制備

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體對于流行病學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準主要是基于分析逆轉錄聚合酶鏈反應 , 可是在檢測中核酸提取和擴增程序耗時較長 , 很難滿足對廣泛人群進行篩查的要求。

復旦大學魏大程教授課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機制備出基于石墨烯場效應晶體管 ( 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計 , 可以同時靶向 SARS-CoV-2 核酸的 ORF1ab 和 N 基因 , 從而實現更高的識別率和更低的檢出極限 ( 0.03 份 μL?1 ) 。這一檢出極限比現有的核酸分析低 1-2 個數量級。該傳感器最快的核酸檢測速度約為 1 分鐘 , 并實現了直接的五合一混合測試。由于快速、超靈敏、易于操作的特點以及混合檢測的能力 , 這一傳感器在大規模范圍內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 時所靶向的核酸。ORF1ab: 非結構多蛋白基因 ; 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。圖中數字表示 SARS-CoV-2 NC_045512 在 GenBank 中基因組的位置。

( c ) 經過MicroWriterML3光刻制備的生物傳感器的封裝結果。圖中的比例尺為 1cm。

( d ) 通過MicroWriterML3制備的石墨烯通道的光學照片。

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

二維材料場效應管器件制備

石墨烯的發現為人類打開了二維材料的大門 , 經歷十多年的研究 , 二維材料表現出的各種優良性能依然吸引著人們。然而 , 在工業上大規模應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標準。

近日 , 復旦大學包文中教授課題組通過利用機器學習 ( ML ) 算法來評估影響工藝的關鍵工藝參數 MoS2 頂柵場效應晶體管 ( FET ) 的電氣特性 [ 4 ] 。晶圓尺寸的器件制備的優化是利用先利用機器學習指導制造過程 , 然后使用MicroWriterML3無掩膜光刻機進行制備 , 最終優化了遷移率、閾值電壓和亞閾值擺幅等性能。相關工作結果發表在《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無掩膜激光直寫機制備的正反器和 ( f ) 相應實驗結果

( g ) 使用MicroWriterML3無掩膜激光直寫機制備的加法器和 ( h ) 相應的實驗結果。

圖 6. 利用 MoS2 FETs 制備的模擬 , 儲存器和光電電路。

( a ) 使用MicroWriterML3無掩膜光刻機制備的環形振蕩器和 ( b ) 相應的實驗結果。

( c ) 通過MicroWriterML3制備的基于 MoS2 FETs 制備的存儲陣列和 ( d-f ) 相應的實驗結果。

( g ) 利用MicroWriterML3制備的光電電路和 ( h-i ) 相應的表現結果。

圖 7. 使用MicroWriterML3無掩膜激光直寫機在晶圓上制備 MoS2 場效應管。

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

( b ) , ( c ) 和 ( d ) 在晶圓上制備加法器的運算結果。

鈣鈦礦材料柔性器件制備

質子束流的探測在光學基礎物理實驗和用于癌癥治療的強子療法等領域是十分重要的一項技術。傳統硅材料制備的場效應管裝置由于價格昂貴很難被大規模用于質子束流的探測。塑料閃爍體和閃爍纖維也可以被用于質子束流的探測。可是基于上述材料的設備需要復雜的同步和校正過程 , 因此也很難被大規模推廣應用。在最近十年間科學家把目光投向了新材料 , 為了找出一種同時具有出色的力學性能和造價低廉的材料 , 用以大規模制質子束流探測設備。鈣鈦礦材料近來被認為是制備質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域。對于利用鈣鈦礦材料制備的探測器探測質子束的領域尚屬空白。

近日 , 意大利博洛尼亞大學 Ilaria Fratelli 教授課題組利用MicroWriterML3無掩模激光直寫機制備出用于質子束探測的 3D-2D 混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測器 [ 5 ] 。在 5MeV 質子的條件下 , 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。該工作結果發表在學術期刊《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 ) 鈣鈦礦材料的結構示意圖。

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

( c ) 3D-2D 混合鈣鈦礦材料的低掠射角 XRD 結果。

( d ) 3D-2D 混合鈣鈦礦材料的 AFM 表面形貌圖。

圖 9. 3D-2D 鈣鈦礦材料的電學和光電學方面的性能。

( A ) 由MicroWriterML3無掩模光刻機制備柔性器件。

( 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

[ 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無掩模光刻機簡介

MicroWriter ML3 無掩模直寫光刻系統由英國劍橋大學卡文迪許實驗室 / 英國皇家科學院院士 Russell Cowburn 教授 ( https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr ) 根據其研究工作的需要而專門設計開發的科研及研發生產光刻利器。

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

MicroWriterML3的優勢 :

1 ) 實驗成本低 : 相比于傳統光刻機 , 該光刻系統無需掩膜板 , 同時它也可以用來加工掩膜板 , 年均可節省成本數萬元 ;

2 ) 實驗效率高 : 通過在計算機上設計圖案就可輕松實現不同的微納結構或器件的加工 , 同時具有多基片自動順序加工功能 ;

3 ) 光刻精度高 : 系統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 : 最高可實現 180mm2/min 的快速加工 ;

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

6 ) 適用范圍廣 : 可根據光刻需求的不同 , 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 : 設備的采購 , 使用和維護成本低于常規的光刻系統。

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