香港中文大學研發「萬能墨水」，配合雷射直寫技術簡化晶片生產

香港中文大學物理系團隊研發「萬能墨水」，配合雷射寫入技術大大簡化高性能晶片的生產過程

【導讀】生產高性能晶片的關鍵是掌握精準工藝，以製作微米及納米等級的金屬結構。由於技術要求十分高，導致製作成本高昂、過程繁瑣和費時。香港中文大學（香港中文大學）物理系助理教授楊森教授、德國斯圖加特大學物理系夏慷蔚博士率領的研究團隊，最近研發了一種全新的「萬能墨水」，配合單步雷射直接寫入技術，只需一些簡單儀器便可掌握精準工藝，製作高性能晶片，大大減低生產成本。相關研究論文已在《自然通訊》期刊發表，香港中文大學亦已為此項技術申請專利。

基本物理原理開發新技術

業界近年廣泛應用的光刻技術，是目前生產高性能晶片的最先進方法。這項技術十分複雜，涉及多個繁瑣製備過程，包括旋塗光膠、定位、光刻、顯影、蒸鍍、電鍍、剝離等，並需要使用光刻儀、蒸鍍儀等一系列高昂的儀器，大大增加生產成本及難度。另一方面，基於納米金屬顆粒沉積的雷射直接寫入技術，則受制於電學、力學及解析度，精確度有限。

香港中文大學物理系的研究團隊從基本的物理學原理出發，找出嶄新的方法進行高精度的材料沉積。他們將不同的金屬鹽溶液加入半導體納米顆粒溶膠，製成「萬能墨水」，再運用光鑷技術和半導體光電子效應，透過雷射引發化學還原反應，合成金屬納米顆粒。它們會像「膠水」一樣互相黏附，並沉積在晶片基底。改變雷射的聚焦點，便可選擇金屬納米顆粒沉積位置；墨水中的金屬成分亦可隨意調整，以配合不同晶片的應用。

一個雷射誘導的材料沉積LIMD方法的原理示意圖。（左）材料沉積過程的示意圖，即在光場下，半導體納米粒子被束縛在焦點上，並且在其表面上的光誘導還原反應將金屬離子轉化為金屬沉積。（中）半導體粒子的理想能帶結構。光子將電子從價帶激發到導帶中，成為觸發光誘導還原反應的自由電子。（右）光誘導化學還原過程的示意圖。半導體粒子（黑球）中的光子激發的自由電子將金屬離子還原為半導體表面上的金屬粒子（黃球）。b實驗程序的示意圖。（左）用一個裝有金屬鹽的移液管，另一個裝有半導體納米顆粒的移液管將完全混合的試劑滴鑄到基板表面。（中）由顯微鏡物鏡聚焦的532 nm雷射束在焦點上產生沉積。（右）沉積並用水洗滌後，沉積的圖案留在基板上。C用LIMD方法在載玻片上沉積了三個樣品。設計顯示在上方。下排中的圖像是中排的細節放大。（左）中大徽標以鉑金書寫。（中心）用白金和金書寫的陰陽符號。（右）一幅中國傳統水墨畫，用鉑金和金書寫。白色比例尺代表50μm，藍色比例尺代表25μm。

傳統墨水繪出現代微納米級材料製作新篇章

研究團隊經過一番篩選及嘗試，發現中國傳統書法和水墨畫，以及鋼筆中所用的碳素墨水，當中的碳納米顆粒具有很好的光還原性和微小的尺寸，是「萬能墨水」理想的半導體納米顆粒。團隊在測試中製作的顆粒結構精確度達到納米級別，力學性質適合製作柔性器材，導電及絕緣性能亦媲美現時採用的物料。此項技術只需要簡單設備，便於大規模推廣。由碳素墨水製成的「萬能墨水」成本低廉，並且可回收再用，大大減低對環境的汙染。

香港中文大學物理系研究團隊發現，傳統書法及水墨畫使用的碳素墨水中的碳納米顆粒，是「萬能墨水」最理想的原材料。

用鉑金「萬能墨水」列印的香港中文大學校徽。(白色比例尺代表50微米。)

獨特的應用前景

楊教授表示：「這項新技術有兩大優勢——第一，可以用多種材料製作複雜的圖案，增加晶片的應用範圍；第二，可以配合光學測量/量度儀器，以監控金屬結構在沉積過程的精確度和質量，促進未來的晶片工業發展，尤其是量子科技晶片生產方面。」

通過LIMD方法製造的實際應用設備。

a – b兩個柔性設備的示意圖：電阻式撓性傳感器a和基於電阻的觸摸傳感器b（更多詳細信息，請參見補充信息）。c結合納米金剛石顆粒的微波波導的SEM圖像。d電阻依賴性與裝置中測量的曲率一個。e器件b中兩個鉑金方塊與觸摸位置的電阻相關性。電阻被標準化為不接觸的值。f微波驅動的Rabi振蕩在金剛石中NV中心的電子自旋在c中的波導附近。g微波功率取決於拉比振蕩頻率。在進入微波波導之前，在微波功率放大器之後測量微波功率。h 3D雷射寫入的設計模式。該結構是逐層寫入的。原始地形數據是從中國自然資源部獲得的。我一個三維地形圖由鐵氧化物沉積製成。j，k的原理圖j和用LIMD方法修復ITO觸點之間的間隙的顯微圖像k。灰度條代表100μm。

新技術同時帶來其他方面的應用，例如修復電極、製作3D電路等。此外，基於其技術通用性，材料選擇將可更加多元化，有潛力在更多領域的工業上應用。香港中文大學團隊將繼續探討及發展此項技術。

示範用兩種不同金屬（鉑金和黃金）列印圖案。左邊：太極標誌；右邊：熊貓圖案。（白色比例尺代表50微米。）

上：3D列印的金屬地形圖。（灰色比例尺代表100微米。）下：柔性材料及電路修復槪念圖。

有關研究團隊

楊森教授的實驗團隊主要研究固態系統中的量子資訊科學及科技，包括量子計算、量子通訊和量子傳感測量。其團隊主要研究碳基材料的量子光學特性，尤其是基於金剛石裡氮空位中心的量子科技。團隊研發出全球首個基於金剛石單個核自旋的高效量子光學記憶體，以及用於高壓量子材料研究的量子感測器等。正在進行的研究包括研發基於金剛石的量子晶片、建立遠端光量子網路，以及研究量子材料的超導和磁特性等。

研究團隊包括夏慷蔚博士、香港中文大學物理系本科生盧穎琪同學、四位研究生陳一帆、洪兆輝、陳暘和瀋陽。其中陳一帆和洪兆輝是是次研究的共同第一作者。夏慷蔚博士曾為香港中文大學物理系研究助理教授（現就職於德國斯圖加特大學物理系），主要研究單個稀土離子精密譜學以及碳基材料光化學。

參考資料：

相關《自然通訊》研究論文：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19210-0 .