大型紫外3D直寫光刻設備iGrapher3000，在蘇大維格科技集團下線，并投入工業運行。iGrapher3000主要用于大基板上的微納結構形貌的3D光刻，是新穎材料、先進光電子器件的設計、研發和制造的全新平臺，堪稱為光電子產業基石性裝備，為產業合作創造新機遇。
從集成電路圖形的平面光刻，邁向光電子的“微結構形貌”的3D光刻，iGrapher3000為新穎材料和功能光電子器件提供了先進手段，下圖為iGrapher3000紫外3D光刻裝備（110吋幅面，2500mmx1500mm）照片和微納結構形貌SEM照片。
此次安裝在維業達科技有限公司黃光車間的iGrapher3000，首個工業應用項目是大尺寸透明導電膜的深槽結構微電路模具，并將用于大面積平板成像、柔性導電器件和全息顯示與3D顯示研發和產業化應用。
iGrapher3000的運行，為蘇大維格科技集團及戰略合作單位，在新型光電子材料/器件、新型顯示和傳感領域的產業合作，提供關鍵支撐，已與多家行業頭部企業建立戰略合作關系。
3D光刻的挑戰和創新進展
隨著IoT、5G逐漸賦能，新型顯示、柔性傳感、自動駕駛、虛實融合、超構材料和平板成像等領域，將迎來變革性發展機會。
前沿科學研究表明，“微納結構界面與光電子相互作用產生的奇異電磁場特性是設計新穎材料和器件的新途徑（如超構材料、超構全息顯示、超構平面成像等）”。當前國際上，新穎材料、超構表面走向實用化的主要障礙，是缺乏在大基板上制備微納結構形貌的技術手段！包括超精密金剛石車床、電子束光刻在內的精密加工手段，以及用于芯片的極紫外投影光刻設備，都難以勝任復雜微納結構形貌的高效加工。所以核心問題是，如何設計具有新功能的大口徑光子器件？如何將海量數據轉化成大面積微納結構？因此，大面積3D直寫光刻技術和裝備研制與應用，對新一輪產業創新和前沿科學研究的意義重大。
01面向大面積新穎材料與功能器件的需求，大型紫外3D光刻系統面臨的挑戰有：
第一，表達“微納結構形貌”的數據量極大，如，55吋幅面透明電路圖形數據量約15Tb，相同尺寸平板透鏡的微結構數據量>150Tb；
第二，海量數據數據的運算、壓縮傳輸與高速率光電轉換技術；
第三，三維數字光場曝光模式與作用機理；
第四，微納結構形貌的精確光刻工藝，包括3D鄰近效應補償、自適應3D導航自聚焦模式；
第五，高速運動平臺、紫外光機系統制造工藝與納米精度控制技術。
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科研人員，十多年來一直開展3D光刻技術、納米光刻硬軟件、數據處理算法和精密控制技術研發。經多輪迭代，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界應用。
iGrapher3000率先在110吋幅面玻璃基板上實現連續面型微結構大面積平板器件，深度范圍50nm~20微米；率先建立海量數據處理能力并轉化成所設計的微納結構形貌，涉及單文件數據量達600Tb；率先建立支持110吋光刻膠板厚膠制程（2微米~25微米），用于后繼印版工業化生產。
大面積3D光刻印版（110吋，自主制備，厚膠制程）
iGrapher3000先進功能
13D矢量設計數據向微結構形貌轉化先進算法與軟件；
2海量數據文件實時處理/傳輸/同步寫入快速光刻；
3大面積襯底實時三維導航自聚焦功能；雙驅動龍門構架精密控制技術；
4三維微結構形貌曝光鄰近效應補償；
5大面積光刻厚膠板的制備工藝。
02 光刻機的產業技術背景
在芯片、光電子、顯示產業和科學研究中，光刻（lithography）屬于基礎工藝。高端光刻設備長期被國外企業壟斷。
在芯片產業，光刻機有兩種類型：第一種是投影光刻機（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，最細線寬達5nm，如ASML極紫外EUV投影光刻機。日本Nikon的i系列和Canon的FPA系列高精度步進投影光刻機；第二種是直寫光刻機（Direct Writing Lithography），用于0.25微米及以上節點的芯片光掩模版、0.18微米節點以下的部分光掩模制備（其余節點掩模，用電子束光刻EBL制備，約占25%），如美國應用材料公司（AM）ALTA光刻機；在顯示面板行業，如瑞典Mycronic公司，Prexision10激光直寫光刻系統，用于10代線光掩模制備，Nikon大型投影掃描光刻機（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、顯示面板等領域，直寫光刻機的作用是將設計數據制備到光刻膠基板上，成為光掩模，用于后道投影光刻復制。
集成電路的2D圖形
上述兩類光刻機均屬于“平面圖形”光刻機，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業的關鍵裝備。直寫光刻屬于源頭型關鍵環節，稱為Pattern Generator。
本次投入運行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，作用是將設計數據制備到厚光刻膠基板上，成為具有三維形貌的納米印版，用于后道壓印復制。下圖為用于3D顯示的微結構形貌SEM照片。
光電子器件的3D微結構SEM照片
03 3D光刻機的強大功能
iGrapher3000強大3D光刻功能：以三維導航飛行掃描模式曝光，一次掃描曝光形成三維微納結構形貌；支持多格式2D、3D模型數據文件，支持數百Tb數據量的光刻，寫入速度大于3Gbps；具有數據處理/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，微納結構形貌具有5維度可控變量，支持各種光場和電磁長調控材料與器件設計與制備。下圖為iGrapher3000在大面積襯底上制備的各種用途的微納結構形貌的SEM照片。
作為對比，用于芯片極紫外投影光刻機（EUV），追求極細線寬（已達5nm），難度在于極端的精度控制和高產率（極紫外光源、運動平臺和套刻精度），芯片的投影光刻，用光掩模圖形縮微復制，不涉及海量數據處理等問題；用于光掩模的直寫光刻設備（LDW），將規則電路圖形轉化為光掩模，形成顯示TFT光掩模。與集成電路的薄膠光刻工藝不同，用于微納結構形貌的3D光刻，追求形貌與相對排列精度（根據用途不同），難度在于海量數據處理與傳輸（數百Tb）、大面積的結構功能設計與先進算法、3D光刻與3D鄰近效應補償等保真度工藝等，深度范圍：50nm~20微米，精度范圍：1nm~100nm。可見，3D光刻機在功能與用途上，與以往2D光刻機有明顯的不同。
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業創新，開辟了新通道。主要用于大尺寸光電子器件、超構表面材料、功能光電子器件等在內的微納形貌和深結構的制備，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業和柔性電子產業的光掩模制備，并為高精度大口徑薄膜透鏡的設計制備提供了戰略研發資源。
下圖為大尺寸柔性導電材料、大尺寸光場調控器件和大型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蘇大維格的光刻機研發經歷
蘇大維格光刻儀器事業部在光刻技術與設備領域有扎實的基礎，研制了多種用于MEMS芯片的光刻設備MiScan200（8”~12”）、微納光學的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備NanoCrystal（8”~32”）。這些新型光刻設備在企業和高等院所廣泛應用，解決了我國多個領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提供了自主可控的先進手段。
2020年1月10日，在國家科技獎勵大會上，蘇大維格承擔的“面向柔性光電子的微納制造關鍵技術與應用”成果，榮獲國家科技進步獎二等獎。
來源：蘇大維格
