「冰刻」|全過程
傳統電子束光刻技術的關鍵步驟。
近日，西湖大學光學工程講席教授仇旻團隊發布三維微納加工技術。仇旻表示：「現在我們已經可以在光纖末端做出較為複雜的微納米級『冰雕』。可在僅有頭髮絲八分之一粗細的光纖末端進行「冰刻」加工，且能一次性雕刻上百件作品。」
該系列研究陸續發表在《納米快報》《納米尺度》《應用表面科學》等期刊上，從精確定位到精準控制雕刻力度，再到以「冰雕」為模具製作結構和加工器件，一套新型三維微納加工系統雛形初現。
「冰刻」技術，通俗的講，就是把冰刻成想要的結構和形狀，並以此為模具實現其他材料結構的製作。刻冰過程與常見的冰雕類似，但區別在於，仇旻團隊使用的刻刀是肉眼看不見的電子束，製造的「冰雕」是微納米級別的景觀。
目前，他們已經可以實現在薄至300納米的冰上刻畫圖案，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。
在微納加工技術中，目前廣泛使用的是基於光刻工藝對材料或原料進行微細加工，製作成所需的微納結構或器件。在這一過程中，光刻膠為非常關鍵的材料。而仇旻團隊所做的就是把光刻膠替換成冰，改稱之為「冰膠」，並將使用「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」。據仇旻介紹，目前除他和他的學生，全球同在研究此技術的僅有丹麥另一個實驗室團隊。
冰刻2.0 一站式、自動化微納加工系統
從2012年到2018年，仇旻團隊用6年時間證實「冰刻」方案行得通。從2012年開始，仇旻團隊開始嘗試把冰用在電子束光刻技術中，替代光刻膠進行電子束曝光。
2018年，仇旻團隊研究表明，在零下140度左右的真空環境下，「冰」能夠在原材料表面形成「薄膜」，並且經過電子束加工可以做出簡單的三維結構。6年間，仇旻團隊也完成了國內首臺「冰刻」系統的研發，即「冰刻1.0」，可以實現簡單結構和器件的製備。
現階段，「冰刻」系統已優化到2.0版本。對於「冰刻2.0」，仇旻說，「我們的目標是在未來3~5年實現『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去，一件成品器件出來。」
目前，冰刻2.0雛形已經在仇旻實驗室初步搭建完成，他們希望，這套冰刻2.0系統可以使微納加工的全過程在真空環境下完成。仇旻表示，「現在使用冰刻2.0在實驗室常用的樣品上都能夠形成比較複雜的三維結構，如光纖表面、晶片表面等，但和我們自己的期望還有一定距離。」目前，仇旻團隊正在把冰刻拓展到更多材料的加工上。
為什麼用冰替代光刻膠
談及用冰替代光刻膠的優勢，仇旻給的首選答案是清潔，其次是快速、簡便。光刻膠，是微納加工過程中的關鍵材料。中國要造晶片，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：「在樣品上塗抹光刻膠，這是傳統光刻加工的第一步。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；材質不能過脆，否則容易破裂。」。
而上述問題在「冰膠」上是不存在的，「我們把樣品放入真空設備後，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；對於非常脆弱的樣品，輕若無物的水蒸氣也不會對材質造成威脅。
傳統電子束光刻技術中，如果想要在矽晶片上，加工兩個納米級別的金屬字「春節」，首先需要將光刻膠均勻塗抹在矽晶片表面，再用電子束在真空環境中將「春節」二字寫在光刻膠上。
此時，光刻膠上被寫入「春節」字樣的部分會發生變化，再用化學試劑將「春節」區域的膠洗去之後，光刻膠就會成為一塊鏤空的「春節」字樣模板。最後，把金屬材料「打」在鏤空區域，再利用化學試劑把晶片表面剩餘的光刻膠洗淨，這樣就完成了金屬字「春節」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，製造鏤空模板需要用化學試劑對光刻膠進行清洗，而使用冰可免去化學清洗的操作。因為當電子束打在冰層上，被打到的冰將直接被氣化，同樣，「刻字」完成後，冰也無需清洗，改變溫度使其融化或升華即可。
此外，仇旻實驗室團隊訪問學生洪宇及其他成員發現，使用冰替代光刻膠進行的微納加工，加工樣品從零下140度的真空環境中返回到室溫後，多餘的金屬材料將自然捲曲並與樣品分離，可被輕鬆吹除。
無需化學試劑清洗這一步驟，使整個過程簡便了許多，耗時也就相應減少。仇旻介紹：「在實驗室裡面，我們使用冰刻2.0系統進行一次微納加工，目前通常需要半天的時間，複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，「工業上所有設備完備，可能不需要像實驗室研究耗時這麼多天，但對比之下，『冰刻』技術用時肯定是大大縮減的」。
更多實際應用仍在探索
「冰刻」的研究，對於仇旻團隊來說，首先是有趣，談及實際應用，仇旻表示目前還在探索中。
現在仇旻團隊正在用冰刻來實現三維作畫以及雕塑，仇旻說，「作為一種綠色且『溫和』的加工手段，冰刻尤其適用於非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。未來希望這項技術能夠運用到生物、微電子以及更多領域中」。
其實，最初提出把冰用於微納加工技術上的並非仇旻團隊。大約10年前看到哈佛的一篇文章給了仇旻靈感。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」。仇旻說，「我經常和我的學生們說，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。」
從被冰刻技術吸引到實現儀器設備，仇旻團隊一做就是8年，目前，該技術仍舊屬於冷門研究方向。仇旻笑稱，「比南極的冰還冷（實驗要在零下140度真空環境進行）。」
雖然冷門，但其價值之高不言而喻。對於該研究，復旦大學物理系主任、超構材料與超構表面專家周磊教授評論稱，這項工作對於研發集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現實意義。「冰刻」可將光學前沿的超構表面與已經廣泛應用的光纖有機結合，既給前者找到了合適的落地平臺，又讓後者煥發了新的生機。
2012年，仇旻從瑞典皇家工學院回國任教，隨後開啟「冰刻」研究計劃。入職西湖大學後，仇旻在國家自然科學基金委重大科研儀器研製項目的支持下，開始研發功能更加強大的「冰刻系統2.0」。
談及自己的研究，他表示，「這樣的探索，有可能帶來很大的突破，也有可能什麼都沒有，但這正是基礎研究的意義和樂趣所在。」而在中國從製造業大國向製造業強國的轉變中，探索和創新以微納加工為代表的超精密加工，正是中國製造的未來方向之一。