◎ 科技日報記者 劉園園 通訊員 馮怡

時值冬季

各種美輪美奐的冰雕又要登場

西湖大學(xué)科研團(tuán)隊

展示了一種“冰雕”絕活兒

他們的“冰雕”

小到微米甚至納米級別

記者12月9日從西湖大學(xué)獲悉，近兩個月來，西湖大學(xué)納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實驗室負(fù)責(zé)人仇旻和他的研究團(tuán)隊在《納米快報》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等國際知名期刊上，連續(xù)發(fā)表了一系列關(guān)于冰刻的研究成果。

在微米甚至納米級別的“冰雕”上，該研究團(tuán)隊已經(jīng)可以實現(xiàn)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)、加工器件——一種新型三維微納加工系統(tǒng)雛形初現(xiàn)。

在薄至300納米的冰膠上刻畫圖案，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。

傳統(tǒng)光刻膠存在局限

要理解他們研發(fā)的冰刻技術(shù)，需要先了解傳統(tǒng)的電子束光刻技術(shù)。

舉個例子，假如我們要在硅晶片上加工4個納米尺度的金屬字“科技日報”，按照傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)大概需要這么幾步：

第一步，我們需要將一種叫光刻膠的材料均勻地涂抹在晶片表面。

第二步，用電子束（相當(dāng)于肉眼看不見的“雕刻刀”）在真空環(huán)境中將“科技日報”4個字寫在光刻膠上，對應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)會發(fā)生變化。然后用化學(xué)試劑洗去改性部分的膠，一片“鏤空”的光刻膠模具就做好了。

接下來，需要將金屬“填”進(jìn)鏤空位置，讓它“長”在晶片表面；最后再用化學(xué)試劑將所有光刻膠清洗干凈，去除廢料后只留下金屬字。

傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)的關(guān)鍵步驟。

不難看出，光刻膠是微納加工過程中非常關(guān)鍵的材料。不過，光刻膠存在一定局限性。

“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?！背饡F實驗室助理研究員趙鼎說。

光刻膠之短，“冰膠”之長

如果把光刻膠換成薄薄的一層冰，會是什么樣的效果？

“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?！壁w鼎說，光刻膠之所短恰恰是水之所長。

正如常言道，兵無常勢，水無常形。在零下140度左右的真空環(huán)境中，無常形的水蒸氣可以包裹任意形狀的表面，哪怕是極小的樣品也沒有問題；水蒸氣的輕若無物，也使在脆弱材料上加工變成可能。

對應(yīng)光刻膠，科研人員給這層水冰起名“冰膠”，給冰膠參與的電子束光刻技術(shù)起名“冰刻”。

科研人員介紹，一旦將光刻膠換成冰膠，由于水的特殊性質(zhì)，還能夠極大地簡化加工流程。

應(yīng)用冰膠的電子束光刻關(guān)鍵步驟。

“當(dāng)電子束打在冰層上，被打到的冰自行消失，因為電子束將水分解氣化，這樣就能直接雕刻出冰模板，不需要像傳統(tǒng)光刻那樣用化學(xué)試劑清洗一遍來形成模具，從而規(guī)避了洗膠帶來的污染，以及難以洗凈的光刻膠殘留導(dǎo)致良品率低等問題?！壁w鼎解釋說。

同理，“光刻”的最后一步，需要再次用化學(xué)試劑洗膠，而“冰刻”只需要讓冰融化或升華成水蒸氣即可，仿佛這層冰膠不曾存在一樣。

從冰層沉積開始到吹除廢料結(jié)束，加工全程不涉及化學(xué)溶劑。

研發(fā)“冰刻系統(tǒng)2.0”

據(jù)介紹，2012年，仇旻回國任教后不久，就開啟了“冰刻”研究計劃。2018年，他和團(tuán)隊完成了國內(nèi)首臺“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。加入西湖大學(xué)后，仇旻帶領(lǐng)科研團(tuán)隊繼續(xù)研發(fā)功能更加強(qiáng)大的“冰刻系統(tǒng)2.0”。

趙鼎告訴科技日報記者，在最新刊發(fā)的一系列學(xué)術(shù)論文中，研究團(tuán)隊報告了水冰加工特性研究，包括刻冰深度與電子強(qiáng)度、電壓的關(guān)系以及精細(xì)線條和圖案的加工等。另外還報告了冰刻技術(shù)的拓展，以及對冰刻工藝的優(yōu)化和提升。

“冰刻系統(tǒng)2.0”已在實驗中雛形初現(xiàn)，中間圓型的“中轉(zhuǎn)艙”是實現(xiàn)一站式的關(guān)鍵，樣品每完成一個步驟，都將被送回到這里，再由機(jī)械臂將其送入下個步驟的“操作間”。

總的來說，研究團(tuán)隊從多個維度入手，不斷提升冰刻技術(shù)，并取得一系列重要進(jìn)展。

一方面，該研究團(tuán)隊掌握了如何在冰刻中精準(zhǔn)定位。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工多層式三維立體結(jié)構(gòu)時，可以先使用低強(qiáng)度的電子束，精確定位后再加大強(qiáng)度，正式開始“鏤空”作業(yè)。與使用光刻膠不同，這種方式不必額外引入復(fù)雜昂貴的對準(zhǔn)裝置，就能夠輕易實現(xiàn)幾十納米的加工定位精度。

另一方面，實驗室成員還找到了控制刻冰力度的方法。

實驗顯示，冰膠去除厚度與電子作用強(qiáng)度呈線性關(guān)系。也就是說，“刻刀”在冰上鑿刻時，下刀的力越大，刻出的槽就越深，并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。相比之下，使用光刻膠，電子與膠厚之間的關(guān)系要復(fù)雜得多。

在圖A所示的單模光纖端面上，加工同心圓結(jié)構(gòu)及圖BCD所示的結(jié)構(gòu)。其中B圖單個結(jié)構(gòu)寬度200納米，C圖單個領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)中心間隔30納米，D圖單個圓環(huán)外徑660納米、寬度110納米。

硬件設(shè)施初具雛形

“‘冰刻1.0’系統(tǒng)的儀器體積較小、功能單一，適用于簡單微納結(jié)構(gòu)的制作……當(dāng)前‘冰刻2.0’的研發(fā)才剛剛開始，但系統(tǒng)的硬件設(shè)施已初具雛形。” 趙鼎告訴科技日報記者。

“我們目前可以將只有一個原子層厚度的二維材料‘冰刻’成任意形狀，通過人工構(gòu)造的方式使材料產(chǎn)生奇特的性質(zhì)。”仇旻實驗室博士研究生姚光南說。

仇旻和團(tuán)隊成員在調(diào)試“冰刻系統(tǒng)2.0”。

趙鼎告訴記者，對于“冰刻2.0”系統(tǒng)，該團(tuán)隊的目標(biāo)是實現(xiàn)“原料進(jìn)，成品出”的一站式微納加工。具體到技術(shù)性能，包括系統(tǒng)更加模塊化、加工對象兼容標(biāo)準(zhǔn)晶圓片、工作溫度更低以便于探索更多的“冰”材料、集成光電學(xué)測量功能等。

記者了解到，從全球范圍來看，冰刻技術(shù)的研發(fā)仍處于起步階段。這樣的技術(shù)，將來有哪些用場？

在仇旻看來，從本質(zhì)上講，“冰刻”仍屬于電子束光刻。但它作為一種綠色且“溫和”的加工手段，尤其適用于非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。

仇旻團(tuán)隊部分成員合影。

“在電子束光刻這個框架體系下，冰膠與傳統(tǒng)光刻膠之間更像是互補(bǔ)關(guān)系。傳統(tǒng)光刻膠工藝成熟，特別適合在大面積平整襯底上加工，冰膠則在微小的、不規(guī)則的或者非平面的襯底上加工優(yōu)勢更加突出?！?趙鼎告訴科技日報記者，目前來看冰刻技術(shù)的應(yīng)用場景集中在基于光纖、納米線、納米管以及二維材料的新型光電子器件制備。

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價說，這項工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強(qiáng)的光電器件具有重要的現(xiàn)實意義。