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用冰代替光刻胶 西湖大学突破三维微纳加工技术 

2020-12-03 09:31 |浙江​新闻客户端 |记者 严粒粒 通讯员 冯怡

还记得儿时看过的冰雕展吗?美轮美奂的宫殿、动物、丛林,让人不得不赞叹匠人的鬼斧神工。

如果,这样的冰雕是发生在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端,并且不止雕刻一件作品,而是同时雕刻百件以上呢?

这样的风景,正发生在西湖大学云栖校区的纳米光子学与仪器技术实验室里。

过去两个月,西湖大学仇旻研究团队,在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上连续发表一系列研究成果,对小到微米甚至纳米级别的“冰雕”游刃有余。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、加工器件,一套“wafer in, device out.”(材料进,成品出)的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。

“其实我们只是把传统电子束光刻技术中的‘光刻胶’换成了冰。”仇旻说。但这一换,换出了一片全新的想象空间。

什么是“冰刻”

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面洒出“生日快乐”四个字?你需要一片模具,模具上有镂空的“生日快乐”字样。巧克力粉透过模具洒落到蛋糕上,“生日快乐”四个字就出现了。

类似的原理,也应用在传统的电子束光刻技术——微纳加工的核心技术之中。

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假设我们要在硅晶片上加工四个纳米尺度的金属字“西湖大学”,首先,我们需要将一种叫“光刻胶”的材料均匀地涂抹在晶片表面;用电子束(相当于肉眼看不见的“雕刻刀”)在真空环境中将“西湖大学”四个字写在光刻胶上,对应位置的光刻胶性质会发生变化;再用化学试剂洗去改性部分的胶,一片“镂空”的光刻胶模具就做好了;接下来便是将金属“填”进镂空位置,使之“长”在晶片表面;最后再用化学试剂将所有光刻胶清洗干净,去除废料后只留下金属字。

可见,光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。

所以有人说,中国要制造芯片,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”有局限性。

“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。”仇旻实验室助理研究员赵鼎说。

那么,把光刻胶变成水、冰呢?

《孙子兵法》中说:“兵无常势,水无常形。”零下140度左右的真空环境,能让水蒸气凝华成无定形冰。

“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。”赵鼎说,光刻胶之所短恰恰是水之所长。

“无常形”的水蒸气可以包裹任意形状的表面,哪怕是极小的样品也没有问题;水蒸气的轻若无物,也使得在脆弱材料上加工变成可能。对应“光刻胶”,他们给这层水冰起名“冰胶”,给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。

实际上,一旦将光刻胶换成了冰胶,由于水的特殊性质,还能够极大地简化加工流程。

“当电子束打在冰层上,被打到的冰‘自行消失’,因为电子束将水分解气化,这样就能直接雕刻出冰模板,不需要像传统光刻那样用化学试剂清洗一遍来形成模具,从而规避了洗胶带来的污染,以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题。”赵鼎解释说。

同样道理,“光刻”的最后一步,需要再次用化学试剂洗胶,而“冰刻”只需要让冰融化或升华成水蒸气即可,仿佛这层冰胶从来不曾存在过一样。

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冰刻2.0:从原材料到成品一气呵成

2012年,仇旻从瑞典皇家工学院回国任教后不久,就开启了“冰刻”研究计划。经过六年的努力,他和他的团队将“冰刻”从纸上谈兵变成现实,完成了国内首台“冰刻”系统的研发。

来到西湖大学后,仇旻在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目(自由申请类)的支持下,全力研发功能更加强大的“冰刻系统2.0”。他们希望改变传统电子束光刻繁琐的加工程序,创造出一套全流程一体化、自动化的微纳加工系统——从冰胶形成开始,到模具加工、材料生长、器件性能表征,一气呵成。

研究团队已经从多个维度入手,不断提升“冰刻”技术。

例如,团队成员掌握了如何“精准定位”。想要有效“雕刻”冰胶,电子作用强度有一定要求,强度太弱冰胶不会消失。这让原本仅作为“刻刀”使用的电子束新增了“定位器”的功能。

当加工多层式三维立体结构时,可以先用低强度的电子束(减少对冰层损坏)透过冰胶,观察并找到下层已经完成的结构;精确定位后再加大强度,正式开始“镂空”作业。这样一来,就不需要像使用光刻胶那样额外引入复杂昂贵的对准装置,能够轻易实现几十纳米的加工定位精度。

仇旻实验室2019级博士研究生吴珊,找到了控制“雕刻力度”的方法。她通过实验发现,冰胶去除厚度与电子作用强度呈线性关系。也就是说,“刻刀”在冰上凿刻时,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。而使用光刻胶,电子与胶厚之间的关系要复杂得多,电子束“雕刻”时力道控制的精准性和灵活性都会受到约束。

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仇旻实验室访问学生洪宇和其他团队成员,则发现不费“吹灰之力”就可以清除加工废料。他们利用冰刻技术不仅在光纤端面(光纤“头部”的横截面),而且在光纤曲面(光纤“身体”表面)上加工制作出各种精巧的微纳结构。尤其在最后清除废料环节,他们发现样品在真空中从低温升回室温后,多余的金属材料自然卷曲并与样品分离,可以被轻易地吹除。

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除此之外,利用冰在电子作用下与材料发生的独特反应,“我们可以将只有一个原子层厚度的二维材料‘冰刻’成任意形状,通过人工构造的方式使材料产生奇特的性质。”仇旻实验室2019级博士研究生姚光南目前正在开展这方面的研究。

“Wafer in, device out.”短短四个单词,形象地描绘出他们为冰刻2.0制定的远大目标——一进一出,送进去的是原材料,拿出来的是成品器件。

仇旻说,从本质上讲,“冰刻”仍属于电子束光刻。但它作为一种绿色且“温和”的加工手段,尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料,甚至生物材料。

复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授表示,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’可以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。”他说。

痛并快乐着的寂寞舞者

这是一群寂寞的“冰上舞者”。仇旻团队已在“冰刻”这块试验田深耕了八年。

最初,他了解到哈佛大学的一支研究团队演示了面向生命科学领域的“冰刻”加工雏形,这给了他灵感,让他看到了这项技术在微纳加工领域的巨大潜力。

这是一个无人区。仇旻用梦想的力量,感召了他回国后招收的第一批博士研究生之一赵鼎,他们决定一起来挑战这个课题。“不做康庄大道上的跟随者,而是独辟蹊径闯出一条新路,我想这是多数科研工作者更愿意的选择。”赵鼎说。

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“冰刻”原理简单明了,但是仪器的实现则异常艰辛。团队需要对原有的电子束光刻设备进行大量改造。赵鼎为之奋斗了五年。“很多工作都是从零开始,比如注入水蒸气,说起来很简单,实际上经过了一次次实验,温度要多低、注入口和样品的距离要多远、注入量和速率要多大……都得一一验证。”

赵鼎毕业之后,师弟洪宇接力,为冰刻系统的研发绘制了几十稿设计图纸。因为没有现成的可以购买,多数情况下必须自己动手,他恶补了很多真空技术和热学方面的知识。

而今,在国外完成两年博士后研究之后,赵鼎又回到仇旻实验室,继续这场“冰刻”长跑。

事实上,全世界做冰刻的实验室,目前满打满算只有两个,一个在中国,一个在丹麦。显然,这不是一个热门的研究方向,且研发周期很长,想在这个课题上很快发文章并获得高引用很难。

“但这是一项令人激动的新技术。”仇旻说,“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。”而当我们把视角放大到中国制造的背景下,在从制造业大国向制造业强国的转变中,对以微纳加工为代表的超精密加工的探索和创新,正是中国制造指向的未来。

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在仇旻团队最新发表的文章结尾,他们用一种非常科幻的方式展望了“冰刻”的未来。毫无疑问,未来围绕“冰刻”的研究,将聚焦于那些传统“光刻”能力无法企及的领域。受益于水这种物质得天独厚的生物相容性,在生物样本上“冰刻”光子波导或电子电路有望得以实现。而这将史无前例地提高人为干预生物样本的能力,同时开辟出全新的学科交叉和研究方向。

南美的蝴蝶扇动一下翅膀,引来大西洋的一场飓风。谁说没有这样的可能性呢?


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