大型紫外3D直写光刻设备iGrapher3000，在苏大维格科技集团下线，并投入工业运行。iGrapher3000主要用于大基板上的微纳结构形貌的3D光刻，是新颖材料、先进光电子器件的设计、研发和制造的全新平台，堪称为光电子产业基石性装备，为产业合作创造新机遇。
从集成电路图形的平面光刻，迈向光电子的“微结构形貌”的3D光刻，iGrapher3000为新颖材料和功能光电子器件提供了先进手段，下图为iGrapher3000紫外3D光刻装备（110吋幅面，2500mmx1500mm）照片和微纳结构形貌SEM照片。
此次安装在维业达科技有限公司黄光车间的iGrapher3000，首个工业应用项目是大尺寸透明导电膜的深槽结构微电路模具，并将用于大面积平板成像、柔性导电器件和全息显示与3D显示研发和产业化应用。
iGrapher3000的运行，为苏大维格科技集团及战略合作单位，在新型光电子材料/器件、新型显示和传感领域的产业合作，提供关键支撑，已与多家行业头部企业建立战略合作关系。
3D光刻的挑战和创新进展
随着IoT、5G逐渐赋能，新型显示、柔性传感、自动驾驶、虚实融合、超构材料和平板成像等领域，将迎来变革性发展机会。
前沿科学研究表明，“微纳结构界面与光电子相互作用产生的奇异电磁场特性是设计新颖材料和器件的新途径（如超构材料、超构全息显示、超构平面成像等）”。当前国际上，新颖材料、超构表面走向实用化的主要障碍，是缺乏在大基板上制备微纳结构形貌的技术手段！包括超精密金刚石车床、电子束光刻在内的精密加工手段，以及用于芯片的极紫外投影光刻设备，都难以胜任复杂微纳结构形貌的高效加工。所以核心问题是，如何设计具有新功能的大口径光子器件？如何将海量数据转化成大面积微纳结构？因此，大面积3D直写光刻技术和装备研制与应用，对新一轮产业创新和前沿科学研究的意义重大。
01面向大面积新颖材料与功能器件的需求，大型紫外3D光刻系统面临的挑战有：
第一，表达“微纳结构形貌”的数据量极大，如，55吋幅面透明电路图形数据量约15Tb，相同尺寸平板透镜的微结构数据量>150Tb；
第二，海量数据数据的运算、压缩传输与高速率光电转换技术；
第三，三维数字光场曝光模式与作用机理；
第四，微纳结构形貌的精确光刻工艺，包括3D邻近效应补偿、自适应3D导航自聚焦模式；
第五，高速运动平台、紫外光机系统制造工艺与纳米精度控制技术。
iGrapher3000：新颖光电子器件与新材料提供前所未有的光刻手段
苏大维格浦东林博士带领科研人员，十多年来一直开展3D光刻技术、纳米光刻硬软件、数据处理算法和精密控制技术研发。经多轮迭代，攻克了3D光刻重大瓶颈，研制成功以iGrapher3000为代表的系列紫外3D直写光刻装备并在工业界应用。
iGrapher3000率先在110吋幅面玻璃基板上实现连续面型微结构大面积平板器件，深度范围50nm~20微米；率先建立海量数据处理能力并转化成所设计的微纳结构形貌，涉及单文件数据量达600Tb；率先建立支持110吋光刻胶板厚胶制程（2微米~25微米），用于后继印版工业化生产。
大面积3D光刻印版（110吋，自主制备，厚胶制程）
iGrapher3000先进功能
13D矢量设计数据向微结构形貌转化先进算法与软件；
2海量数据文件实时处理/传输/同步写入快速光刻；
3大面积衬底实时三维导航自聚焦功能；双驱动龙门构架精密控制技术；
4三维微结构形貌曝光邻近效应补偿；
5大面积光刻厚胶板的制备工艺。
02 光刻机的产业技术背景
在芯片、光电子、显示产业和科学研究中，光刻（lithography）属于基础工艺。高端光刻设备长期被国外企业垄断。
在芯片产业，光刻机有两种类型：第一种是投影光刻机（Projection Lithography），将光掩模图形缩微并光刻到硅片上，制备集成电路图形，最细线宽达5nm，如ASML极紫外EUV投影光刻机。日本Nikon的i系列和Canon的FPA系列高精度步进投影光刻机；第二种是直写光刻机（Direct Writing Lithography），用于0.25微米及以上节点的芯片光掩模版、0.18微米节点以下的部分光掩模制备（其余节点掩模，用电子束光刻EBL制备，约占25%），如美国应用材料公司（AM）ALTA光刻机；在显示面板行业，如瑞典Mycronic公司，Prexision10激光直写光刻系统，用于10代线光掩模制备，Nikon大型投影扫描光刻机（FX系列），用于将光掩模图形扫描光刻到大尺寸基板上，形成TFT电路图形。因此，IC集成电路、显示面板等领域，直写光刻机的作用是将设计数据制备到光刻胶基板上，成为光掩模，用于后道投影光刻复制。
集成电路的2D图形
上述两类光刻机均属于“平面图形”光刻机，用于薄光刻胶制程。无论直写光刻还是投影光刻，都是集成电路和光电子产业的关键装备。直写光刻属于源头型关键环节，称为Pattern Generator。
本次投入运行iGrapher3000，“3D形貌“光刻属于厚胶工艺，主要用于光电子材料和器件的制备，作用是将设计数据制备到厚光刻胶基板上，成为具有三维形貌的纳米印版，用于后道压印复制。下图为用于3D显示的微结构形貌SEM照片。
光电子器件的3D微结构SEM照片
03 3D光刻机的强大功能
iGrapher3000强大3D光刻功能：以三维导航飞行扫描模式曝光，一次扫描曝光形成三维微纳结构形貌；支持多格式2D、3D模型数据文件，支持数百Tb数据量的光刻，写入速度大于3Gbps；具有数据处理/传输/写入同步的快速光刻功能；幅面：110英寸；光刻深度范围：50纳米~20微米@深度分辨率10nm，横向线宽>0.5微米@数字分辨率100nm@355纳米紫外波长，最快扫描速率1m/s。
理论上，微纳结构形貌具有5维度可控变量，支持各种光场和电磁长调控材料与器件设计与制备。下图为iGrapher3000在大面积衬底上制备的各种用途的微纳结构形貌的SEM照片。
作为对比，用于芯片极紫外投影光刻机（EUV），追求极细线宽（已达5nm），难度在于极端的精度控制和高产率（极紫外光源、运动平台和套刻精度），芯片的投影光刻，用光掩模图形缩微复制，不涉及海量数据处理等问题；用于光掩模的直写光刻设备（LDW），将规则电路图形转化为光掩模，形成显示TFT光掩模。与集成电路的薄胶光刻工艺不同，用于微纳结构形貌的3D光刻，追求形貌与相对排列精度（根据用途不同），难度在于海量数据处理与传输（数百Tb）、大面积的结构功能设计与先进算法、3D光刻与3D邻近效应补偿等保真度工艺等，深度范围：50nm~20微米，精度范围：1nm~100nm。可见，3D光刻机在功能与用途上，与以往2D光刻机有明显的不同。
04 3D光刻的用途
iGrapher3000为新颖光电子材料与功能器件的研究和产业创新，开辟了新通道。主要用于大尺寸光电子器件、超构表面材料、功能光电子器件等在内的微纳形貌和深结构的制备，包括大尺寸透明电路图形、高精度柔性触控传感器、高亮投影屏、全息3D显示、MiniLED电路背板、高光效匀光板、虚实融合光子器件、大口径透明电磁屏蔽材料等。
iGrapher3000也可用于平板显示产业和柔性电子产业的光掩模制备，并为高精度大口径薄膜透镜的设计制备提供了战略研发资源。
下图为大尺寸柔性导电材料、大尺寸光场调控器件和大型miniLED背光的微电路背板。
大尺寸柔性触控屏的微电路3D光刻制备
miniLED高光效匀光板、大口径投影屏的3D光刻制备
大尺寸miniLED背板与透明立体显示屏的3D光刻制备
05苏大维格的光刻机研发经历
苏大维格光刻仪器事业部在光刻技术与设备领域有扎实的基础，研制了多种用于MEMS芯片的光刻设备MiScan200（8”~12”）、微纳光学的MicroLab（4”~8”）和超表面、裸眼3D显示、光电子器件研究的纳米光刻设备NanoCrystal（8”~32”）。这些新型光刻设备在企业和高等院所广泛应用，解决了我国多个领域研究中的卡脖子问题，为新型光电子器件、新材料、MEMS芯片和传感器件的研发提供了自主可控的先进手段。
2020年1月10日，在国家科技奖励大会上，苏大维格承担的“面向柔性光电子的微纳制造关键技术与应用”成果，荣获国家科技进步奖二等奖。
来源：苏大维格
