大型紫外3D直寫光刻設(shè)備iGrapher3000，在蘇大維格科技集團(tuán)下線，并投入工業(yè)運(yùn)行。iGrapher3000主要用于大基板上的微納結(jié)構(gòu)形貌的3D光刻，是新穎材料、先進(jìn)光電子器件的設(shè)計、研發(fā)和制造的全新平臺，堪稱為光電子產(chǎn)業(yè)基石性裝備，為產(chǎn)業(yè)合作創(chuàng)造新機(jī)遇。

從集成電路圖形的平面光刻，邁向光電子的“微結(jié)構(gòu)形貌”的3D光刻，iGrapher3000為新穎材料和功能光電子器件提供了先進(jìn)手段，下圖為iGrapher3000紫外3D光刻裝備（110吋幅面，2500mmx1500mm）照片和微納結(jié)構(gòu)形貌SEM照片。

此次安裝在維業(yè)達(dá)科技有限公司黃光車間的iGrapher3000，首個工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目是大尺寸透明導(dǎo)電膜的深槽結(jié)構(gòu)微電路模具，并將用于大面積平板成像、柔性導(dǎo)電器件和全息顯示與3D顯示研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

iGrapher3000的運(yùn)行，為蘇大維格科技集團(tuán)及戰(zhàn)略合作單位，在新型光電子材料/器件、新型顯示和傳感領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)合作，提供關(guān)鍵支撐，已與多家行業(yè)頭部企業(yè)建立戰(zhàn)略合作關(guān)系。

3D光刻的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新進(jìn)展

隨著IoT、5G逐漸賦能，新型顯示、柔性傳感、自動駕駛、虛實(shí)融合、超構(gòu)材料和平板成像等領(lǐng)域，將迎來變革性發(fā)展機(jī)會。

前沿科學(xué)研究表明，“微納結(jié)構(gòu)界面與光電子相互作用產(chǎn)生的奇異電磁場特性是設(shè)計新穎材料和器件的新途徑（如超構(gòu)材料、超構(gòu)全息顯示、超構(gòu)平面成像等）”。當(dāng)前國際上，新穎材料、超構(gòu)表面走向?qū)嵱没闹饕系K，是缺乏在大基板上制備微納結(jié)構(gòu)形貌的技術(shù)手段！包括超精密金剛石車床、電子束光刻在內(nèi)的精密加工手段，以及用于芯片的極紫外投影光刻設(shè)備，都難以勝任復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)形貌的高效加工。所以核心問題是，如何設(shè)計具有新功能的大口徑光子器件？如何將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成大面積微納結(jié)構(gòu)？因此，大面積3D直寫光刻技術(shù)和裝備研制與應(yīng)用，對新一輪產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和前沿科學(xué)研究的意義重大。

01面向大面積新穎材料與功能器件的需求，大型紫外3D光刻系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)有：

第一，表達(dá)“微納結(jié)構(gòu)形貌”的數(shù)據(jù)量極大，如，55吋幅面透明電路圖形數(shù)據(jù)量約15Tb，相同尺寸平板透鏡的微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量>150Tb；

第二，海量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、壓縮傳輸與高速率光電轉(zhuǎn)換技術(shù)；

第三，三維數(shù)字光場曝光模式與作用機(jī)理；

第四，微納結(jié)構(gòu)形貌的精確光刻工藝，包括3D鄰近效應(yīng)補(bǔ)償、自適應(yīng)3D導(dǎo)航自聚焦模式；

第五，高速運(yùn)動平臺、紫外光機(jī)系統(tǒng)制造工藝與納米精度控制技術(shù)。

iGrapher3000：新穎光電子器件與新材料提供前所未有的光刻手段

蘇大維格浦東林博士帶領(lǐng)科研人員，十多年來一直開展3D光刻技術(shù)、納米光刻硬軟件、數(shù)據(jù)處理算法和精密控制技術(shù)研發(fā)。經(jīng)多輪迭代，攻克了3D光刻重大瓶頸，研制成功以iGrapher3000為代表的系列紫外3D直寫光刻裝備并在工業(yè)界應(yīng)用。

iGrapher3000率先在110吋幅面玻璃基板上實(shí)現(xiàn)連續(xù)面型微結(jié)構(gòu)大面積平板器件，深度范圍50nm~20微米；率先建立海量數(shù)據(jù)處理能力并轉(zhuǎn)化成所設(shè)計的微納結(jié)構(gòu)形貌，涉及單文件數(shù)據(jù)量達(dá)600Tb；率先建立支持110吋光刻膠板厚膠制程（2微米~25微米），用于后繼印版工業(yè)化生產(chǎn)。

大面積3D光刻印版（110吋，自主制備，厚膠制程）

iGrapher3000先進(jìn)功能

13D矢量設(shè)計數(shù)據(jù)向微結(jié)構(gòu)形貌轉(zhuǎn)化先進(jìn)算法與軟件；

2海量數(shù)據(jù)文件實(shí)時處理/傳輸/同步寫入快速光刻；

3大面積襯底實(shí)時三維導(dǎo)航自聚焦功能；雙驅(qū)動龍門構(gòu)架精密控制技術(shù)；

4三維微結(jié)構(gòu)形貌曝光鄰近效應(yīng)補(bǔ)償；

5大面積光刻厚膠板的制備工藝。

02 光刻機(jī)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)背景

在芯片、光電子、顯示產(chǎn)業(yè)和科學(xué)研究中，光刻（lithography）屬于基礎(chǔ)工藝。高端光刻設(shè)備長期被國外企業(yè)壟斷。

在芯片產(chǎn)業(yè)，光刻機(jī)有兩種類型：第一種是投影光刻機(jī)（Projection Lithography），將光掩模圖形縮微并光刻到硅片上，制備集成電路圖形，最細(xì)線寬達(dá)5nm，如ASML極紫外EUV投影光刻機(jī)。日本Nikon的i系列和Canon的FPA系列高精度步進(jìn)投影光刻機(jī)；第二種是直寫光刻機(jī)（Direct Writing Lithography），用于0.25微米及以上節(jié)點(diǎn)的芯片光掩模版、0.18微米節(jié)點(diǎn)以下的部分光掩模制備（其余節(jié)點(diǎn)掩模，用電子束光刻EBL制備，約占25%），如美國應(yīng)用材料公司（AM）ALTA光刻機(jī)；在顯示面板行業(yè)，如瑞典Mycronic公司，Prexision10激光直寫光刻系統(tǒng)，用于10代線光掩模制備，Nikon大型投影掃描光刻機(jī)（FX系列），用于將光掩模圖形掃描光刻到大尺寸基板上，形成TFT電路圖形。因此，IC集成電路、顯示面板等領(lǐng)域，直寫光刻機(jī)的作用是將設(shè)計數(shù)據(jù)制備到光刻膠基板上，成為光掩模，用于后道投影光刻復(fù)制。

集成電路的2D圖形

上述兩類光刻機(jī)均屬于“平面圖形”光刻機(jī)，用于薄光刻膠制程。無論直寫光刻還是投影光刻，都是集成電路和光電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵裝備。直寫光刻屬于源頭型關(guān)鍵環(huán)節(jié)，稱為Pattern Generator。

本次投入運(yùn)行iGrapher3000，“3D形貌“光刻屬于厚膠工藝，主要用于光電子材料和器件的制備，作用是將設(shè)計數(shù)據(jù)制備到厚光刻膠基板上，成為具有三維形貌的納米印版，用于后道壓印復(fù)制。下圖為用于3D顯示的微結(jié)構(gòu)形貌SEM照片。

光電子器件的3D微結(jié)構(gòu)SEM照片

03 3D光刻機(jī)的強(qiáng)大功能

iGrapher3000強(qiáng)大3D光刻功能：以三維導(dǎo)航飛行掃描模式曝光，一次掃描曝光形成三維微納結(jié)構(gòu)形貌；支持多格式2D、3D模型數(shù)據(jù)文件，支持?jǐn)?shù)百Tb數(shù)據(jù)量的光刻，寫入速度大于3Gbps；具有數(shù)據(jù)處理/傳輸/寫入同步的快速光刻功能；幅面：110英寸；光刻深度范圍：50納米~20微米@深度分辨率10nm，橫向線寬>0.5微米@數(shù)字分辨率100nm@355納米紫外波長，最快掃描速率1m/s。

理論上，微納結(jié)構(gòu)形貌具有5維度可控變量，支持各種光場和電磁長調(diào)控材料與器件設(shè)計與制備。下圖為iGrapher3000在大面積襯底上制備的各種用途的微納結(jié)構(gòu)形貌的SEM照片。

作為對比，用于芯片極紫外投影光刻機(jī)（EUV），追求極細(xì)線寬（已達(dá)5nm），難度在于極端的精度控制和高產(chǎn)率（極紫外光源、運(yùn)動平臺和套刻精度），芯片的投影光刻，用光掩模圖形縮微復(fù)制，不涉及海量數(shù)據(jù)處理等問題；用于光掩模的直寫光刻設(shè)備（LDW），將規(guī)則電路圖形轉(zhuǎn)化為光掩模，形成顯示TFT光掩模。與集成電路的薄膠光刻工藝不同，用于微納結(jié)構(gòu)形貌的3D光刻，追求形貌與相對排列精度（根據(jù)用途不同），難度在于海量數(shù)據(jù)處理與傳輸（數(shù)百Tb）、大面積的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計與先進(jìn)算法、3D光刻與3D鄰近效應(yīng)補(bǔ)償?shù)缺Ｕ娑裙に嚨?，深度范圍?0nm~20微米，精度范圍：1nm~100nm?？梢姡?D光刻機(jī)在功能與用途上，與以往2D光刻機(jī)有明顯的不同。

04 3D光刻的用途

iGrapher3000為新穎光電子材料與功能器件的研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，開辟了新通道。主要用于大尺寸光電子器件、超構(gòu)表面材料、功能光電子器件等在內(nèi)的微納形貌和深結(jié)構(gòu)的制備，包括大尺寸透明電路圖形、高精度柔性觸控傳感器、高亮投影屏、全息3D顯示、MiniLED電路背板、高光效勻光板、虛實(shí)融合光子器件、大口徑透明電磁屏蔽材料等。

iGrapher3000也可用于平板顯示產(chǎn)業(yè)和柔性電子產(chǎn)業(yè)的光掩模制備，并為高精度大口徑薄膜透鏡的設(shè)計制備提供了戰(zhàn)略研發(fā)資源。

下圖為大尺寸柔性導(dǎo)電材料、大尺寸光場調(diào)控器件和大型miniLED背光的微電路背板。

大尺寸柔性觸控屏的微電路3D光刻制備

miniLED高光效勻光板、大口徑投影屏的3D光刻制備

大尺寸miniLED背板與透明立體顯示屏的3D光刻制備

05蘇大維格的光刻機(jī)研發(fā)經(jīng)歷

蘇大維格光刻儀器事業(yè)部在光刻技術(shù)與設(shè)備領(lǐng)域有扎實(shí)的基礎(chǔ)，研制了多種用于MEMS芯片的光刻設(shè)備MiScan200（8”~12”）、微納光學(xué)的MicroLab（4”~8”）和超表面、裸眼3D顯示、光電子器件研究的納米光刻設(shè)備NanoCrystal（8”~32”）。這些新型光刻設(shè)備在企業(yè)和高等院所廣泛應(yīng)用，解決了我國多個領(lǐng)域研究中的卡脖子問題，為新型光電子器件、新材料、MEMS芯片和傳感器件的研發(fā)提供了自主可控的先進(jìn)手段。

2020年1月10日，在國家科技獎勵大會上，蘇大維格承擔(dān)的“面向柔性光電子的微納制造關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”成果，榮獲國家科技進(jìn)步獎二等獎。

來源：蘇大維格