西湖大学突破“冰刻”三维微纳加工技术

     “现在我们已经可以在光纤末端做出较为复杂的微纳米级‘冰雕’。” 近日，西湖大学光学工程讲席教授仇旻在接受 DeepTech 采访时表示。
        仇旻团队近期发布的三维微纳加工技术，可在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端进行“冰刻”加工，且能一次性雕刻上百件作品。
        
        图｜不同图案的“冰雕”作品（来源：受访者供图）
        近期，该系列研究陆续发表在 《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等期刊上，从精确定位到精准控制雕刻力度，再到以 “冰雕” 为模具制作结构和加工器件，一套新型三维微纳加工系统雏形初现。
        
        图｜“冰刻” 全过程（来源：受访者供图）
     “冰刻” 技术，通俗的讲，就是把冰刻成想要的结构和形状，并以此为模具实现其他材料结构的制作。刻冰过程与常见的冰雕类似，但区别在于，仇旻团队使用的刻刀是肉眼看不见的电子束，制造的 “冰雕” 是微纳米级别的景观。
        目前，他们已经可以实现在薄至 300 纳米的冰上刻画图案，下图中最小的微型雪花直径仅 1.4 微米，所有比例尺长度均为 1 微米。
        
         图｜在薄至 300 纳米的冰上刻画图案
        在微纳加工技术中，目前广泛使用的是基于光刻工艺对材料或原料进行微细加工，制作成所需的微纳结构或器件。在这一过程中，光刻胶为非常关键的材料。
        而仇旻团队所做的就是把光刻胶替换成冰，改称之为 “冰胶”，并将使用 “冰胶” 替代光刻胶完成微纳加工的电子束光刻工艺改称为 “冰刻”。
        据仇旻介绍，目前除他和他的学生，全球也在研究此技术的仅有丹麦另一个实验室团队。
        冰刻 2.0，一站式、自动化微纳加工系统
        仇旻告诉 DeepTech，从 2012 年到 2018 年，团队证实 “冰刻” 方案行得通用了 6 年。从 2012 年开始，仇旻团队开始尝试把冰用在电子束光刻技术中，替代光刻胶进行电子束曝光。
        2018 年，仇旻团队研究表明，在零下 140 度左右的真空环境下，“冰” 能够在原材料表面形成 “薄膜”，并且经过电子束加工可以做出简单的三维结构。6 年间，仇旻团队也完成了国内首台 “冰刻” 系统的研发，即 “冰刻 1.0”，可以实现简单结构和器件的制备。
        
        图 | “冰刻”在单模光纤端面制作微纳结构
        现阶段，“冰刻” 系统已优化到 2.0 版本。对于 “冰刻 2.0”，仇旻说，“我们的目标是，在未来 3-5 年实现‘wafer in, device out’的全流程一体化、自动化的一站式微纳加工，也就是一个原材料进去，一件成品器件出来。”
        目前，冰刻 2.0 雏形已经在仇旻实验室初步搭建完成，他们希望，这套冰刻 2.0 系统可以使微纳加工的全过程在真空环境下完成。
        
        图 | 实验室中的冰刻 2.0 雏形（来源：受访者提供）
        仇旻表示，“现在使用冰刻 2.0 在实验室常用的样品上都能够形成比较复杂的三维结构，如光纤表面、芯片表面等，但和我们自己的期望还有一定距离。” 目前，仇旻团队正在把冰刻拓展到更多材料的加工上。
        为什么用冰替代光刻胶
        谈及用冰替代光刻胶的优势，仇旻给 DeepTech 的首选答案是清洁，其次是快速、简便。
        光刻胶，是微纳加工过程中的关键材料。中国要造芯片，光有光刻机还不够，还得打破国外对光刻胶的垄断。但这样的光刻胶仍有局限性。
        仇旻实验室助理研究员赵鼎说：“在样品上涂抹光刻胶，这是传统光刻加工的第一步。这个动作有点像摊鸡蛋饼，如果铁板不平整，饼就摊不好。同时，被抹胶的地方，面积不能太小，否则胶不容易摊开摊匀；材质不能过脆，否则容易破裂。”。
        
        图 | 传统电子束光刻技术的关键步骤
        而上述问题在 “冰胶” 上是不存在的，“我们把样品放入真空设备后，先给样品降温再注入水蒸气，水蒸气就会在样品上凝华成薄薄的冰层。” 赵鼎解释道，“无常形” 的水蒸气可以包裹任意形状的表面，在凹凸不平和极小的样品上也不成问题；对于非常脆弱的样品，轻若无物的水蒸气也不会对材质造成威胁。
        传统电子束光刻技术中，如果想要在硅晶片上，加工两个纳米级别的金属字 “春节”，首先需要将光刻胶均匀涂抹在硅晶片表面，再用电子束在真空环境中将 “春节” 二字写在光刻胶上。
        此时，光刻胶上被写入 “春节” 字样的部分会发生变化，再用化学试剂将 “春节” 区域的胶洗去之后，光刻胶就会成为一块镂空的 “春节” 字样模板。最后，把金属材料 “打” 在镂空区域，再利用化学试剂把晶片表面剩余的光刻胶洗净，这样就完成了金属字 “春节” 的加工。
        而如果用冰替代光刻胶，加工过程也将大大简化。刚刚提到的加工过程中，制造镂空模板需要用化学试剂对光刻胶进行清洗，而使用冰可免去化学清洗的操作。因为当电子束打在冰层上，被打到的冰将直接被气化，同样，“刻字” 完成后，冰也无需清洗，改变温度使其融化、或升华即可。
        此外，仇旻实验室团队访问学生洪宇及其他成员发现，使用冰替代光刻胶进行的微纳加工，加工样品从零下 140 度的真空环境中返回到室温后，多余的金属材料将自然卷曲并与样品分离，可被轻松吹除。
        无需化学试剂清洗这一步骤，使整个过程简便了许多，耗时也就相应减少。仇旻告诉 DeepTech，“在实验室里面，我们使用冰刻 2.0 系统进行一次微纳加工，目前通常需要半天的时间，复杂的器件不超过一天。而用以前的方法，通常来说要几天或者一个星期。” 他补充道，“工业上所有设备完备，可能不需要像实验室研究耗时这么多天，但对比之下，‘冰刻’技术用时肯定是大大缩减的”。
        更多实际应用仍在探索
     “冰刻” 的研究，对于仇旻团队来说，首先是有趣，谈及实际应用，仇旻表示目前还在探索中。
        现在仇旻团队正在用冰刻来实现三维作画以及雕塑，仇旻说，“作为一种绿色且‘温和’的加工手段，冰刻尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。未来希望这项技术能够运用到生物、微电子以及更多领域中”。
        其实，最初提出把冰用于微纳加工技术上的并非仇旻团队。仇旻告诉 DeepTech，是大约 10 年前看到哈佛的一篇文章给了他灵感。那篇文章提出，用电子可以在冰上刻划出纳米级别的线条。
     “这是一项令人激动的新技术”。仇旻对 DeepTech 说，“我经常和我的学生们说，一件事情有趣其实就够了，如果能有用会更好，既有趣又有用那就完美了。”
        从被冰刻技术吸引到实现仪器设备，仇旻团队一做就是 8 年，目前，该技术仍旧属于冷门研究方向。仇旻笑称，“比南极的冰还冷（实验要在零下 140 度真空环境进行）。”
        虽然冷门，但其价值之高不言而喻。对于该研究，复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授评论称，这项工作对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。“冰刻” 可将光学前沿的超构表面与已经广泛应用的光纤有机结合，既给前者找到了合适的落地平台，又让后者焕发了新的生机。
        2012 年，仇旻从瑞典皇家工学院回国任教，随后开启 “冰刻” 研究计划。入职西湖大学后，仇旻在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目的支持下，开始研发功能更加强大的 “冰刻系统 2.0”。
        一直以来，仇旻课题组主要开展集成与纳米光子学方向研究，如新型微纳器件制造工艺、微纳光电子器件、新型光学材料等。因在纳米光子学领域的突出贡献，仇旻于 2013 年底当选美国光学学会会士（OSA Fellow）和国际光学工程学会会士（SPIE Fellow），2015 年底当选国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow）。
        
        图｜仇旻团队部分成员
        谈及自己的研究，他表示，“这样的探索，有可能带来很大的突破，也有可能什么都没有，但这正是基础研究的意义和乐趣所在。”
        而在中国从制造业大国向制造业强国的转变中，探索和创新以微纳加工为代表的超精密加工，正是中国制造的未来方向之一。