无掩模、超衍射、多受体：华维纳新型纳秒激光直写系统产品深度解读

一、光刻技术格局中，激光直写处于什么位置？

在半导体与微纳制造领域，图形化加工主要有几条技术路线：

l  掩模投影光刻：芯片大规模量产的主流方案，但需要先制作掩模版。一片高精度掩模版费用可达数千至数万元，制作周期长，设计一旦改版就要重新制版——对工艺开发、科研验证和小批量生产环节而言，成本与时间压力突出。

l  电子束光刻 / 聚焦离子束：分辨率高，但设备昂贵、需要真空环境、单点串行刻写效率低，加工成本难以被一般实验室和小批量产线承受。

l  激光直写（LDW）：不需要掩模版、不需要真空环境，计算机中的图形数据直接调制激光束完成刻写，具有大面积、高性价比、工艺简便高效的特点。行业公开资料显示，无掩模激光直写设备已广泛应用于掩模版制造、科研研发、MEMS、光子器件、先进封装、微流控芯片等场景；而研发阶段频繁的设计迭代，更是无掩模技术的核心价值区。

可以说，在"研发验证—无掩模制造—小批量生产"这一链条上，激光直写是投入产出比的突出图形化手段。

二、传统激光直写的两大瓶颈

尽管优势明显，传统激光直写长期受到两个硬约束：

瓶颈一：衍射极限。 传统 LDW 在衍射极限下工作，加工分辨率与入射波长成正比、与物镜数值孔径成反比（d=λ/2N.A），加工分辨率长期停留在微米尺度，难以跟上纳米时代的器件需求。

瓶颈二：受体材料单一。 传统 LDW 基于光化学反应，只能使用有机光刻胶作为受体材料，图形还需经过显影、刻蚀等多道工艺转移到目标基底上，流程长、成本高，适用场景受限等不足。面对金属薄膜、半导体、相变材料等无机受体时，传统设备往往无从下手或工序繁杂。

针对这两个瓶颈，苏州华维纳纳米科技有限公司基于激光与物质非线性相互作用原理，走出了提高加工分辨率的第三条技术道路（传统技术路径：缩短激光波长或增大数值孔径），研发出具有核心自主知识产权的新型纳秒激光直写系统（LDW-P1500 系列等），为行业提供了一种兼具超衍射加工能力与多受体适应性的国产设备选项。

图 1 华维纳 LDW-1500 激光纳米直写系统整机实拍（洁净室环境）

三、技术原理：用"阈值自局域效应"突破衍射极限

华维纳新型纳秒激光直写系统的核心思路，可以从一束高斯分布的聚焦激光说起。

聚焦激光束的能量呈高斯分布——中心高、边缘低。当这束激光照射到具有反应阈值的受体薄膜上时，通过精确选择激光参数，可以保证只有光斑中心极小区域的能量超过材料阈值并发生有效反应，外围能量低于阈值、不产生实际作用。这种"自局域效应"使激光与材料的实际作用区域远小于聚焦光斑本身，可以达到衍射极限的几十分之一，从而实现超衍射加工。

更重要的是，这一原理对受体材料具有天然的适配性。激光与不同材料相互作用时，可根据需要引发光化学、灼烧、氧化、相变、光热等多种反应机制——这意味着系统不仅能使用传统有机光刻胶，还能直接加工金属材料、半导体材料、相变材料等多种受体，大大丰富了激光直写的工艺内涵和适用场景。

当然，这种加工方式对激光能量控制精度和运动控制精度提出了很高要求，这正是华维纳在设备工程化上的核心投入方向。

图 2 阈值自局域效应示意：仅光斑中心超过材料阈值的区域发生有效加工，实际作用区域远小于衍射极限

四、超衍射加工能力：有公开发表的实测数据支撑

华维纳设备的超衍射加工能力并非停留在参数表上，而是经过多所高校和科研院所的实际验证，相关结果已发表于国内外学术期刊：

l  金属纳米孔阵列：使用 HWN-LDW-P1500（物镜数值孔径 0.9，激光波长 533 nm）在金属薄膜上加工出孔径 50 nm 的纳米孔阵列，达到该系统衍射极限的约 1/5。

l  半导体纳米光栅：使用 HWN-LDW-P1500（405 nm 波长）在 GaAs 表面刻制光栅结构，狭缝半峰全宽达 32 nm，约为衍射极限的 1/7。

l  纳米间隙电极：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所利用 HWN-LDW-P1500 制备出间隙达次 5 nm 的金电极阵列，约为衍射极限的 1/40，相关成果发表于 Nano Letters（2020），且加工效率可达每小时约 10 万个电极，展现出一定的工业化制造潜力。

l  钛薄膜纳米孔洞：在 40 nm 厚 Ti 薄膜上制备的纳米孔洞直径可小于 50 nm；实测刻写孔洞可达 18.4 nm 量级。

l  超精细纳米孔：国家纳米科学中心研究人员利用该类系统在岛状铟薄膜上加工出直径约 3 nm 的纳米孔，远超光学衍射极限。

这些案例表明，该系统在纳米孔、纳米线、纳米间隙等典型纳米结构加工上具备经过第三方验证的能力。

图 3 钛金属薄膜上刻写的 18.4 nm 孔洞（SEM 实测图）

五、多受体材料加工：一台设备覆盖多条工艺路线

基于非线性相互作用原理，系统原则上不再限制受体材料种类：

l  有机光刻胶：兼容传统 LDW 的全部工艺，如 AZ6112 等常用胶种的图形化曝光；

l  金属材料：Ti、Sn、In、Sb、Ag、Au 等金属及合金薄膜的直接刻写、激光热氧化、晶粒调控；

l  半导体材料：GaAs 等 Ⅲ-Ⅴ 族半导体表面的纳米结构直接制备；

l  无机相变材料：相变存储等方向的图形化加工；

l  功能材料：二维材料（石墨烯、MoS₂、MoTe₂ 等）的应变调控与激光掺杂、钙钛矿量子点的原位图案化等前沿方向。

对基板也无特殊要求——普通玻璃板、石英玻璃板、硅片、镍板、蓝宝石衬底外延片、碳化硅衬底外延片等均可直接上机加工，衬底厚度可达 10 mm，尺寸可达 125 mm×125 mm。

六、系统构成：为纳米级稳定加工而设计

LDW-P1500 系列主要由五大系统构成：

1. 样品刻写系统——核心包括 405 nm 激光器、压电陶瓷运动平台、自主知识产权的主控电路板及高速脉冲调制电路、样品台及负压系统。激光功率调制精度达 1‰，为阈值自局域加工提供能量控制基础。

2. 自动聚焦系统——包括自主研发的四象限光电探测器、硬核集成分析软件（S 曲线去噪 + PID 追踪 + 平面模拟 + 路径生成）、20 mm 行程粗调模块和 100 μm 压电陶瓷运动模块。刻写前可自动完成样品形貌起伏扫描，为聚焦跟踪提供匹配数据。

3. 功率校准系统——高精度激光功率调制模块与高精度光电探测器构成闭环，保障刻写能量的一致性与可重复性。

4. 观测分析系统——25×25 mm 粗调运动平台、1500×1500 μm 压电陶瓷运动平台、CCD 相机及反射率检测分析模块，支持刻写过程实时监控与刻写后图形测量，监控图像数据可导出分析。

5. 高精度工件台——德国 PI 压电陶瓷工件台，定位精度 1 nm，刻写范围 1500×1500 μm、1000×1000 μm、500×500 μm、200×200 μm、100×100 μm 多档可选；另配 50 mm 行程手动 XY 调节台（精度 0.01 mm），实现大尺度样品的移动定位与拼接刻写。

整机采用一体式大理石防震基座、真空吸附载物台、气浮防振平台与防气流扰动外壳，刻写、聚焦、监视三通道互不干扰；运动控制基于 DE4 高阶 FPGA 开发板与自主设计的高精度信号采集控制电路，可在全行程内以 75 nm 步长扫描，获得 20000×20000 像素点的精细刻写图像。

七、控制软件：图形化操作，所想即所得

设备搭载华维纳自主开发的 LDW-SC 控制软件（软件著作权所有），可直接读取 TIFF、BMP、JPG 等常见图片格式及矢量 DWG 格式文件，用户用常用绘图软件设计的图形可直接转化为刻写任务；激光功率、脉宽、扫描速度、网格间距等参数均可灵活设定，并支持自检、自动聚焦、平面校正、实时监控图像导出等功能。

图 4 LDW-SC 控制软件操作界面（图形化操作，参数可视化设定）

八、主要技术参数（LDW-P 系列）

注：以上参数来源于公开技术资料，因产品配置不同可能存在差异，最终以双方确认的技术协议为准。

九、典型应用方向

依托超衍射与多受体两大能力，该系统已在多个方向得到实际验证：灰度掩模与微透镜阵列制造、半导体表面纳米结构（GaAs 纳米光栅等）、纳米间隙电极阵列、微流控纳米通道、二维材料应变调控与激光掺杂、SERS 传感芯片、纳米孔与纳米带阵列、量子点图案化、结构色与表面应变结构等。详细应用案例可参阅我们的专题应用文章《从掩模版到量子点：激光直写十个真实应用场景》。

十、安装条件与服务保障

安装使用条件：电源 220 V、功率 ≤ 1 kW；压缩空气 5～7 bar（需过滤水、颗粒及油质）；环境温度 21±1 ℃、湿度 45%～60%；可在 ISO Class 5 洁净车间（或万级以上无尘室）中使用。

服务保障：负责安装调试及操作培训；验收合格之日起一年保修，保修期内免费修理，保修期外继续提供维修服务与备件供应；保修期内质量故障 24 小时内响应解决方案，必要时 48 小时内派工程师到现场；提供工艺开发技术咨询与研发支持，并可根据客户深度需求改进设备、增加功能或定制设计。

十一、关于华维纳

苏州华维纳纳米科技有限公司 2011 年成立于苏州工业园区，专注于无掩模纳米光刻机及配套材料的研发生产，拥有自有核心知识产权。公司由归国人员和专家学者创立，曾获得苏州工业园区、苏州市、江苏省等各级人才与科技项目支持，2015 年通过高新技术企业认证，研发产品获得高新技术产品称号。公司拥有近二十项知识产权成果，涵盖核心发明zhuan利、商标注册权、软件著作权及激光直写光刻设备工业标准等。目前已定型 HWN-LDW-P、HWN-LDW-L、HWN-LDW-V 三大系列十余个型号，刻写范围覆盖微米级至 4 英寸，服务于多所高校、科研院所及开发公司的前沿研究。

十二、获取资料与样片评估

如果您的团队正在评估无掩模光刻方案，或现有工艺正被掩模成本、分辨率、受体材料限制所困扰，欢迎与我们联系。

声明：本文内容基于厂商公开技术资料及公开发表的学术文献整理，所引用的加工实例数据均来自公开出版物；技术参数因产品配置不同可能存在差异，最终以正式技术协议为准。