随着國内各學科的發展和産業升級,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疊代和優化。
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,節省了制備光刻闆所需要的時間和經費,可以實現用戶對光刻結構快速疊代的需求。此外,MicroWriter ML3 可用于各類正性和負性光刻膠的曝光,光刻精度可達0.4μm,套刻精度±0.5μm,曝光速度可達180mm2/min。目前,MicroWriter ML3在國内的擁有量超過150台,被用于各類微納器件的光刻加工。
人工智能領域器件制備
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運算可以由内存内運算技術直接實現。然而,基于的馮諾依曼計算架構的芯片在内存和邏輯運算之間存在着瓶頸,限制了内存内的高速MAC運算。理想的AI芯片構架不僅要有高效的内存内運算能力,還需要具有非易失性,多比特存儲,可反複擦寫和易于讀寫等特點。
複旦大學包文中教授課題組利用MicroWriter ML3 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,該構架十分适用于AI計算。在該構架中,存儲單元是一個類似1T-1C的動态随機存儲器(DRAM),其繼承了DRAM讀寫速度快和耐反複擦寫的優點。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,然後進行模拟計算。乘積累加結果可以通過彙合多個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别手寫數字可達到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MicroWriter ML3 制備的24個MoS2晶體管的傳輸特性。
(d)MicroWriter ML3 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着非常重要的作用。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着非常重要的意義。
澳大利亞麥考瑞大學Ming Li課題組利用MicroWriter ML3 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MicroWirter ML3 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參數。相關工作結果在SCI期刊《Analytical Chemistry》(IF=8.08) 上發表。
圖2.在MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 制備的流道後與入口處的對比。
(c)MicroWriter ML3 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)MicroWriter ML3 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。誤差棒代表着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着十分重要的意義。目前,新冠病毒診斷采用的普遍标準主要是基于分析逆轉錄聚合酶鍊反應,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。
複旦大學魏大程教授課題組利用MicroWriter ML3 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,從而實現更高的識别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範圍内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MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 制備的石墨烯通道的光學照片。
(e)在石墨烯上的Cy3共轭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,經曆十多年的研究,二維材料表現出的各種優良性能依然吸引着人們。然而,在工業上大規模應用二維材料仍然存在着很多問題,所制成的器件不能符合工業标準。
近日,複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 頂栅場效應晶體管 (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,然後使用MicroWriter ML3 無掩膜光刻機進行制備,最終優化了遷移率、阈值電壓和亞阈值擺幅等性能。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MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 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制備的模拟,儲存器和光電電路。
(a)使用MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 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MicroWriter ML3 制備的光電電路和(h-i)相應的表現結果。
圖7. 使用MicroWriter ML3 無掩膜激光直寫機在晶圓上制備MoS2場效應管。
(a)MicroWriter ML3 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。
鈣钛礦材料柔性 器件制備
質子束流的探測在光學基礎物理實驗和用于癌症治療的強子療法等領域是十分重要的一項技術。傳統矽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複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。鈣钛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,鈣钛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。鈣钛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。對于利用鈣钛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MicroWriter ML 3 無掩模激光直寫機制備出用于質子束探測的3D-2D混合鈣钛礦柔性薄膜檢測器[5]。在5MeV質子的條件下,探測器的探測束流範圍為從4.5 ×105 到 1.4 ×109 H+ cm−2 s−1,可連續檢測的輻射敏感度為290nCGy−1mm−3,檢測下限為72μGy s−1。該工作結果發表在學術期刊《 A dvanced Science 》(IF=17. 521 ) 。
圖8. MicroWriter ML3 在PET柔性基闆上制備的3D-2D鈣钛礦薄膜器件。
(A)MAPbBr3 (3D) 和(PEA)2PbBr4 (2D)鈣钛礦材料的結構示意圖。
(B)通過MicroWriter ML 3 無掩模激光直寫機制備出的檢測器,圖中标尺長度為500μm。
(c)3D-2D混合鈣钛礦材料的低掠射角XRD結果。
(d)3D-2D混合鈣钛礦材料的AFM表面形貌圖。
圖9. 3D-2D鈣钛礦材料的電學和光電學方面的性能。
(A)由MicroWriter ML 3 無掩模光刻機制備柔性器件。
(B)通過MicroWriter ML 3 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鈣钛礦材料柔性器件的PL光譜結果。
(D)3D-2D鈣钛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.
MicroWriter ML 3 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産光刻利器。
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。
MicroWriter ML 3 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闆,同時它也可以用來加工掩膜闆,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: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)适用範圍廣: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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