2023年Nature子刊等成果汇总！无掩膜直写光刻系统助力中国科研领域取得丰硕成果

       MicroWriter ML3是一款源自于剑桥大学的小型台式无掩膜直写光刻系统，由英国皇丶家科学院院士Russell Cowburn教授根据其在微米磁学，纳米技术和光学领域超过20年的研究经验设计而成。MicroWriter采用小巧紧凑(70cm x 70cm x 70cm)的一体化设计，适用于各种实验室桌面。它具有高度的灵活性，摆脱了掩膜板的束缚，还拥有高直写速度，高分辨率、全自动控制、可靠性高及操作简便等特点，可为微流控、SAW、半导体、自旋电子学等研究领域提供方便高效的微加工方案。

图1. 小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

       过去一年MicroWriter在中国区的用户在科研领域中取得了丰富的成果。根据谷歌学术的相关数据统计，2023年以中国高校和研究院所为第一单位发表在Nature Protocol、 Nature Materials、 Science Advance、 Nature Communication、 Advanced Science、 Advanced Materials、 Advanced Functional Materials、 Nano Letter等SCI文章共50余篇。相关研究主要涉及微流控芯片、功能器件和新型材料等领域。在微流控领域的研究中，MicroWriter主要用于病毒快速检测，可穿戴柔性血糖监控，外泌体检测，和细菌检测等微流控器件的制备。在功能器件方面，MicroWriter被用于各类传感器的制备，例如有害气体传感器，应力传感器，压电传感器，免疫传感器，光电传感器，磁学传感器，化学催化传感器和压电声学传感器。此外，MicroWriter还被研究人员广泛地用于制备大规模二维材料场效应器件，量子霍尔效应器件，Micro LED和存储器件。在新材料和基础研究方面，MicroWriter常被用于材料的NV色心研究、二维材料的霍尔效应研究、二维材料的新型光电性能研究以及具有高介电常数的新型绝缘材料等相关研究。这些优秀成果充分证明了Microwriter的强大功能和广泛的适用性。下文我们根据2023年中国区MicroWriter用户所发表的文章来介绍MicroWriter的特色功能。

MicroWriter光刻精度

       MicroWriter拥有0.4 μm，0.6 μm，1 μm，2 μm和5 μm多个曝光镜头，以满足科研的不同需求。图2展示了从0.6 μm到5 μm镜头所曝光的不同尺寸的微纳结构。图3展示了用0.4 μm镜头所曝光的点和线的阵列。

图2. MicroWriter用0.6微米到5微米镜头所曝光的不同尺寸的微纳结构

图3. MicroWriter用0.4微米镜头所曝光的点和线的阵列

       为了同时保证光刻的精度和速度，MicroWriter拥有组合曝光功能，使用较低精度的镜头去曝光大面积图案，对精度要求较高部分则可用精度较高的镜头完成曝光。图4是利用组合曝光功能所获得的光刻图案，其中大尺寸结构的曝光是用2 μm镜头完成，小结构的曝光是用0.6 μm镜头完成。

图4. 利用MicroWriter组合曝光功能所制备的光刻图形

       利用上述功能，2023年复旦大学相关课题组在Nature Materials上发表了在12英寸晶圆上制备MoS₂集成电路的相关工作。图5为该工作利用MicroWriter所制备的微结构图形。

图5. 相关论文信息和利用MicroWriter在大尺寸晶圆上制备的微纳结构

       为了保证大尺寸光刻团的连续性和质量，MicroWriter自带优化算法。开启后相邻直写区域的拼接处无明显痕迹，相关曝光图形的边缘质量也得以改善，如图6所示。

图6. MicroWriter相邻直写区域的拼接痕迹和曝光结构边缘的优化结果

MicroWriter套刻功能

       在制备各类微纳器件的时候，往往需要在相应的位置制备电极，此时就需要高效且精准的对准功能。MicroWriter自带的虚拟掩模系统可以很好地完成相应的任务。如图7所示，在曝光前，就可以看到即将曝光图形的位置。如果位置不如预期，可以进行调整，直至符合预期为止。

图7. 虚拟掩模系统显示的曝光图形位置（左）和实际曝光位置（右）

       运用虚拟掩模功能，南方科技大学相关课题组实现了多层二维材料所形成的异质范德瓦尔斯结构的套刻，并研究了相关的强光电效应，文章发表于Nature Communications。图8展示了该工作中使用MicroWriter所制备的电极。

图8. 相关论文信息和利用MicroWriter的虚拟掩模功能所制备的电极

多种光源

       MicroWriter配有多种波长光源，可根据科研的实际需求进行光源的选择。对于微流控等领域通常需要用到负性光刻胶，如SU8。MicroWriter在制备负性光刻胶的相关结构方面也有着不俗的表现。图9中展示的是利用365 nm光源所制备的SU8负性光刻胶的微纳结构。

图9. MicroWriter的不同光源和制备的SU8负性光刻胶微纳结构

       2023年上海中科院研究所相关课题组，利用MicroWriter制备了复杂的SU8微纳结构，然后再经过PDMS的倒模，制备出相应的微流控器件，用于微流控的动态监测。

其他功能

       除上述功能外，MicroWriter还支持Z高256阶的灰度光刻，帮助您轻松实现三维结构的制备。MicroWriter还支持在不同基底上进行光刻，例如玻璃基底和铬板基底，可以更加轻松、灵活的完成实验。

图11. MicroWriter的灰度光刻结构

图12. MicroWriter在玻璃和铬板基底上的光刻结果

总结