隨著國(guó)內(nèi)各學(xué)科的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，相關(guān)的科研院所和企事業(yè)單位對(duì)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@類的光刻需求的用戶不僅需要制備出當(dāng)前的樣品，還需要對(duì)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(duì)光刻的需求，Quantum Design中國(guó)推出了小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3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(duì)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，光刻精度可達(dá)0.4 μm，套刻精度±0.5 μm，曝光速度可達(dá)180mm²/min。目前，MicroWriter ML3在國(guó)內(nèi)的擁有量超過(guò)150臺(tái)，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

　　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(lái)說(shuō)，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?？梢哉f(shuō)，MAC運(yùn)算能力決定了芯片在AI運(yùn)算時(shí)的表現(xiàn)。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M(fèi)AC運(yùn)算。理想的AI芯片構(gòu)架不僅要有很好的內(nèi)存內(nèi)運(yùn)算能力，還需要具有非易失性，多比特存儲(chǔ)，可反復(fù)擦寫(xiě)和易于讀寫(xiě)等特點(diǎn)。

　　復(fù)旦大學(xué)包文中教授課題組利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3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(guò)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(chǔ)單元是一個(gè)類似1T-1C的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），其繼承了DRAM讀寫(xiě)速度快和耐反復(fù)擦寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)。此外，MoS₂晶體管極低的漏電流使得多層級(jí)電壓在電容中有更長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(shí)別手寫(xiě)數(shù)字可達(dá)到90.3%。展示出2T-1C單元構(gòu)架在未來(lái)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MicroWriter ML3制備的24個(gè)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100 μm。

（e）2T-1C單元電路示意圖，包括儲(chǔ)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(wú)論是對(duì)生物學(xué)基礎(chǔ)性研究還是對(duì)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課題組利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3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(guò)粘彈性流體和牛頓流體的共同作用對(duì)不同形貌的釀酒酵母菌進(jìn)行了有效的分類和收集。借助MicroWirter ML3中所采用的無(wú)掩模技術(shù)，課題組可以輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控傳輸通道長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，優(yōu)化出對(duì)不同形貌酵母菌進(jìn)行分類的參數(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MicroWriter ML3制備的微流控通道中利用粘彈性流體對(duì)不同形貌的釀酒酵母菌進(jìn)行微流控連續(xù)篩選。

圖3.在MicroWriter ML3制備的微流控流道中對(duì)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(guò)MicroWriter ML3制備的流道后與入口處的對(duì)比。

（c）MicroWriter ML3制備的微流控連續(xù)篩選器件對(duì)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）MicroWriter ML3制備的微流控器件對(duì)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(duì)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(cè)領(lǐng)域器件制備

　　在新冠疫情流行的背景下，從大量人群中快速篩查出受感染個(gè)體對(duì)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(cè)中核酸提取和擴(kuò)增程序耗時(shí)較長(zhǎng)，很難滿足對(duì)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小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3制備出基于石墨烯場(chǎng)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(cè)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(shí)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(jí)。該傳感器的核酸檢測(cè)速度約為1分鐘，并實(shí)現(xiàn)了直接的五合一混合測(cè)試。由于快速、超靈敏、易于操作的特點(diǎn)以及混合檢測(cè)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(jìn)行SARS-CoV-2核酸檢測(cè)的流程圖。

（b）選定的病毒序列和探針在檢測(cè)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(guò)MicroWriter ML3光刻制備的生物傳感器的封裝結(jié)果。圖中的比例尺為1 cm。

（d）通過(guò)MicroWriter ML3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250 μm。

　　二維材料場(chǎng)效應(yīng)管器件制備

　　石墨烯的發(fā)現(xiàn)為人類打開(kāi)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(wèn)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(guò)利用機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 算法來(lái)評(píng)估影響工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù)MoS₂頂柵場(chǎng)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(guò)程，然后使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3進(jìn)行制備，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. MoS₂FETs的邏輯電路圖。

（a），（b），（c）和（d）各類電壓對(duì)器件的影響。

（e）使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3制備的正反器和（f）相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（g）使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3制備的加法器和（h）相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6. 利用MoS₂FETs制備的模擬，儲(chǔ)存器和光電電路。

（a）使用MicroWriter ML3無(wú)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(guò)MicroWriter ML3制備的基于MoS₂FETs制備的存儲(chǔ)陣列和（d-f）相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（g）利用MicroWriter ML3制備的光電電路和（h-i）相應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果。

圖7. 使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3在晶圓上制備MoS₂場(chǎng)效應(yīng)管。

（a）MicroWriter ML3在兩寸晶圓上制備的基于MoS₂場(chǎng)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(cè)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(chǎng)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(cè)。塑料閃爍體和閃爍纖維也可以被用于質(zhì)子束流的探測(cè)。可是基于上述材料的設(shè)備需要復(fù)雜的同步和校正過(guò)程，因此也很難被大規(guī)模推廣應(yīng)用。在近十年間科學(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(cè)設(shè)備。鈣鈦礦材料近來(lái)被認(rèn)為是制備質(zhì)子束流探測(cè)器的理想材料。首先，鈣鈦礦材料可以通過(guò)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(duì)較低。鈣鈦礦材料已被用于探測(cè)高能光子，阿爾法粒子，快中子和熱中子等領(lǐng)域。對(duì)于利用鈣鈦礦材料制備的探測(cè)器探測(cè)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教授課題組利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3制備出用于質(zhì)子束探測(cè)的3D-2D混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測(cè)器^[5]。在5MeV質(zhì)子的條件下，探測(cè)器的探測(cè)束流范圍為從4.5 × 10⁵到 1.4 × 10⁹H⁺cm^?2s^?1，可連續(xù)檢測(cè)的輻射敏感度為290nCGy^?1mm^?3，檢測(cè)下限為72 μGy 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. MicroWriter ML3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(guò)MicroWriter ML3無(wú)掩模激光直寫(xiě)機(jī)制備出的檢測(cè)器，圖中標(biāo)尺長(zhǎng)度為500 μm。

（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MicroWriter ML3無(wú)掩模光刻機(jī)制備柔性器件。

（Ｂ）通過(guò)MicroWriter ML3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(jiàn)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.

　　小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3簡(jiǎn)介

　　小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3由英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任/英國(guó)皇家科學(xué)院院士Cowburn教授根據(jù)其研究工作的需要而專門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的科研及研發(fā)生產(chǎn)光刻利器。

圖10. a)小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)MicroWriter ML3。MicroWriter ML3 b)在正膠上制備線寬為400 nm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)。

　　MicroWriter ML3的優(yōu)勢(shì)：

　　? 實(shí)驗(yàn)成本低：相比于傳統(tǒng)光刻機(jī)，該光刻系統(tǒng)無(wú)需掩膜板，同時(shí)它也可以用來(lái)加工掩膜板，年均可節(jié)省成本數(shù)萬(wàn)元；

　　? 實(shí)驗(yàn)效率高：通過(guò)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(dòng)順序加工功能；

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

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

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

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

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

　　相關(guān)產(chǎn)品

　　1. 小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3：http://www.zgdxszj.com/product/20160315755.shtml