西湖大學(xué)開啟“冰刻2.0”研發(fā)，用冰替代光刻膠，或?qū)⒑喕瘋鹘y(tǒng)光刻加工

James5291 2020-12-05

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“現(xiàn)在我們已經(jīng)可以在光纖末端做出較為復(fù)雜的微納米級‘冰雕’?！?近日，西湖大學(xué)光學(xué)工程講席教授仇旻在接受 DeepTech 采訪時表示。

仇旻團(tuán)隊近期發(fā)布的三維微納加工技術(shù)，可在僅有頭發(fā)絲八分之一粗細(xì)的光纖末端進(jìn)行“冰刻”加工，且能一次性雕刻上百件作品。

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圖｜不同圖案的“冰雕”作品（來源：受訪者供圖）

近期，該系列研究陸續(xù)發(fā)表在《納米快報》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等期刊上，從精確定位到精準(zhǔn)控制雕刻力度，再到以 “冰雕” 為模具制作結(jié)構(gòu)和加工器件，一套新型三維微納加工系統(tǒng)雛形初現(xiàn)。

圖｜“冰刻” 全過程（來源：受訪者供圖）

“冰刻” 技術(shù)，通俗的講，就是把冰刻成想要的結(jié)構(gòu)和形狀，并以此為模具實現(xiàn)其他材料結(jié)構(gòu)的制作?？瘫^程與常見的冰雕類似，但區(qū)別在于，仇旻團(tuán)隊使用的刻刀是肉眼看不見的電子束，制造的 “冰雕” 是微納米級別的景觀。

目前，他們已經(jīng)可以實現(xiàn)在薄至 300 納米的冰上刻畫圖案，下圖中最小的微型雪花直徑僅 1.4 微米，所有比例尺長度均為 1 微米。

圖｜在薄至 300 納米的冰上刻畫圖案

在微納加工技術(shù)中，目前廣泛使用的是基于光刻工藝對材料或原料進(jìn)行微細(xì)加工，制作成所需的微納結(jié)構(gòu)或器件。在這一過程中，光刻膠為非常關(guān)鍵的材料。

而仇旻團(tuán)隊所做的就是把光刻膠替換成冰，改稱之為 “冰膠”，并將使用 “冰膠” 替代光刻膠完成微納加工的電子束光刻工藝改稱為 “冰刻”。

據(jù)仇旻介紹，目前除他和他的學(xué)生，全球也在研究此技術(shù)的僅有丹麥另一個實驗室團(tuán)隊。

冰刻 2.0，一站式、自動化微納加工系統(tǒng)

仇旻告訴 DeepTech，從 2012 年到 2018 年，團(tuán)隊證實 “冰刻” 方案行得通用了 6 年。從 2012 年開始，仇旻團(tuán)隊開始嘗試把冰用在電子束光刻技術(shù)中，替代光刻膠進(jìn)行電子束曝光。

2018 年，仇旻團(tuán)隊研究表明，在零下 140 度左右的真空環(huán)境下，“冰” 能夠在原材料表面形成 “薄膜”，并且經(jīng)過電子束加工可以做出簡單的三維結(jié)構(gòu)。6 年間，仇旻團(tuán)隊也完成了國內(nèi)首臺 “冰刻” 系統(tǒng)的研發(fā)，即 “冰刻 1.0”，可以實現(xiàn)簡單結(jié)構(gòu)和器件的制備。

圖 | “冰刻”在單模光纖端面制作微納結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，“冰刻” 系統(tǒng)已優(yōu)化到 2.0 版本。對于 “冰刻 2.0”，仇旻說，“我們的目標(biāo)是，在未來 3-5 年實現(xiàn)‘wafer in, device out’的全流程一體化、自動化的一站式微納加工，也就是一個原材料進(jìn)去，一件成品器件出來。”

目前，冰刻 2.0 雛形已經(jīng)在仇旻實驗室初步搭建完成，他們希望，這套冰刻 2.0 系統(tǒng)可以使微納加工的全過程在真空環(huán)境下完成。

圖 | 實驗室中的冰刻 2.0 雛形（來源：受訪者提供）

仇旻表示，“現(xiàn)在使用冰刻 2.0 在實驗室常用的樣品上都能夠形成比較復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，如光纖表面、芯片表面等，但和我們自己的期望還有一定距離?！?目前，仇旻團(tuán)隊正在把冰刻拓展到更多材料的加工上。

為什么用冰替代光刻膠

談及用冰替代光刻膠的優(yōu)勢，仇旻給 DeepTech 的首選答案是清潔，其次是快速、簡便。

光刻膠，是微納加工過程中的關(guān)鍵材料。中國要造芯片，光有光刻機還不夠，還得打破國外對光刻膠的壟斷。但這樣的光刻膠仍有局限性。

仇旻實驗室助理研究員趙鼎說：“在樣品上涂抹光刻膠，這是傳統(tǒng)光刻加工的第一步。這個動作有點像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。同時，被抹膠的地方，面積不能太小，否則膠不容易攤開攤勻；材質(zhì)不能過脆，否則容易破裂?！?。

圖 | 傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)的關(guān)鍵步驟

而上述問題在 “冰膠” 上是不存在的，“我們把樣品放入真空設(shè)備后，先給樣品降溫再注入水蒸氣，水蒸氣就會在樣品上凝華成薄薄的冰層。” 趙鼎解釋道，“無常形” 的水蒸氣可以包裹任意形狀的表面，在凹凸不平和極小的樣品上也不成問題；對于非常脆弱的樣品，輕若無物的水蒸氣也不會對材質(zhì)造成威脅。

傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)中，如果想要在硅晶片上，加工兩個納米級別的金屬字 “春節(jié)”，首先需要將光刻膠均勻涂抹在硅晶片表面，再用電子束在真空環(huán)境中將 “春節(jié)” 二字寫在光刻膠上。

此時，光刻膠上被寫入 “春節(jié)” 字樣的部分會發(fā)生變化，再用化學(xué)試劑將 “春節(jié)” 區(qū)域的膠洗去之后，光刻膠就會成為一塊鏤空的 “春節(jié)” 字樣模板。最后，把金屬材料 “打” 在鏤空區(qū)域，再利用化學(xué)試劑把晶片表面剩余的光刻膠洗凈，這樣就完成了金屬字 “春節(jié)” 的加工。

而如果用冰替代光刻膠，加工過程也將大大簡化。剛剛提到的加工過程中，制造鏤空模板需要用化學(xué)試劑對光刻膠進(jìn)行清洗，而使用冰可免去化學(xué)清洗的操作。因為當(dāng)電子束打在冰層上，被打到的冰將直接被氣化，同樣，“刻字” 完成后，冰也無需清洗，改變溫度使其融化、或升華即可。

此外，仇旻實驗室團(tuán)隊訪問學(xué)生洪宇及其他成員發(fā)現(xiàn)，使用冰替代光刻膠進(jìn)行的微納加工，加工樣品從零下 140 度的真空環(huán)境中返回到室溫后，多余的金屬材料將自然卷曲并與樣品分離，可被輕松吹除。

無需化學(xué)試劑清洗這一步驟，使整個過程簡便了許多，耗時也就相應(yīng)減少。仇旻告訴 DeepTech，“在實驗室里面，我們使用冰刻 2.0 系統(tǒng)進(jìn)行一次微納加工，目前通常需要半天的時間，復(fù)雜的器件不超過一天。而用以前的方法，通常來說要幾天或者一個星期?！?他補充道，“工業(yè)上所有設(shè)備完備，可能不需要像實驗室研究耗時這么多天，但對比之下，‘冰刻’技術(shù)用時肯定是大大縮減的”。

更多實際應(yīng)用仍在探索

“冰刻” 的研究，對于仇旻團(tuán)隊來說，首先是有趣，談及實際應(yīng)用，仇旻表示目前還在探索中。

現(xiàn)在仇旻團(tuán)隊正在用冰刻來實現(xiàn)三維作畫以及雕塑，仇旻說，“作為一種綠色且‘溫和’的加工手段，冰刻尤其適用于非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。未來希望這項技術(shù)能夠運用到生物、微電子以及更多領(lǐng)域中”。

其實，最初提出把冰用于微納加工技術(shù)上的并非仇旻團(tuán)隊。仇旻告訴 DeepTech，是大約 10 年前看到哈佛的一篇文章給了他靈感。那篇文章提出，用電子可以在冰上刻劃出納米級別的線條。

“這是一項令人激動的新技術(shù)”。仇旻對 DeepTech 說，“我經(jīng)常和我的學(xué)生們說，一件事情有趣其實就夠了，如果能有用會更好，既有趣又有用那就完美了?！?/p>

從被冰刻技術(shù)吸引到實現(xiàn)儀器設(shè)備，仇旻團(tuán)隊一做就是 8 年，目前，該技術(shù)仍舊屬于冷門研究方向。仇旻笑稱，“比南極的冰還冷（實驗要在零下 140 度真空環(huán)境進(jìn)行）。”

雖然冷門，但其價值之高不言而喻。對于該研究，復(fù)旦大學(xué)物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊教授評論稱，這項工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現(xiàn)實意義。“冰刻” 可將光學(xué)前沿的超構(gòu)表面與已經(jīng)廣泛應(yīng)用的光纖有機結(jié)合，既給前者找到了合適的落地平臺，又讓后者煥發(fā)了新的生機。

2012 年，仇旻從瑞典皇家工學(xué)院回國任教，隨后開啟 “冰刻” 研究計劃。入職西湖大學(xué)后，仇旻在國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項目的支持下，開始研發(fā)功能更加強大的 “冰刻系統(tǒng) 2.0”。

一直以來，仇旻課題組主要開展集成與納米光子學(xué)方向研究，如新型微納器件制造工藝、微納光電子器件、新型光學(xué)材料等。因在納米光子學(xué)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，仇旻于 2013 年底當(dāng)選美國光學(xué)學(xué)會會士（OSA Fellow）和國際光學(xué)工程學(xué)會會士（SPIE Fellow），2015 年底當(dāng)選國際電氣和電子工程師協(xié)會會士（IEEE Fellow）。