在納米尺度做冰雕，這項絕活兒意義重大
2020-12-09 光明網◎ 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
西湖大學科研團隊
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日從西湖大學獲悉，近兩個月來，西湖大學納米光子學與儀器技術實驗室負責人仇旻和他的研究團隊在《納米快報》《納米尺度》《應用表面科學》等國際知名期刊上，連續發表了一系列關於冰刻的研究成果。
在微米甚至納米級別的「冰雕」上，該研究團隊已經可以實現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、加工器件——一種新型三維微納加工系統雛形初現。
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。
傳統光刻膠存在局限
要理解他們研發的冰刻技術，需要先了解傳統的電子束光刻技術。
舉個例子，假如我們要在矽晶片上加工4個納米尺度的金屬字「科技日報」，按照傳統電子束光刻技術大概需要這麼幾步：
第一步，我們需要將一種叫光刻膠的材料均勻地塗抹在晶片表面。
第二步，用電子束（相當於肉眼看不見的「雕刻刀」）在真空環境中將「科技日報」4個字寫在光刻膠上，對應位置的光刻膠性質會發生變化。然後用化學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」進鏤空位置，讓它「長」在晶片表面；最後再用化學試劑將所有光刻膠清洗乾淨，去除廢料後只留下金屬字。
傳統電子束光刻技術的關鍵步驟。
不難看出，光刻膠是微納加工過程中非常關鍵的材料。不過，光刻膠存在一定局限性。
「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。」仇旻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，會是什麼樣的效果？
「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起名「冰刻」。
科研人員介紹，一旦將光刻膠換成冰膠，由於水的特殊性質，還能夠極大地簡化加工流程。
應用冰膠的電子束光刻關鍵步驟。
「當電子束打在冰層上，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，不需要像傳統光刻那樣用化學試劑清洗一遍來形成模具，從而規避了洗膠帶來的汙染，以及難以洗淨的光刻膠殘留導致良品率低等問題。」趙鼎解釋說。
同理，「光刻」的最後一步，需要再次用化學試劑洗膠，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束，加工全程不涉及化學溶劑。
研發「冰刻系統2.0」
據介紹，2012年，仇旻回國任教後不久，就開啟了「冰刻」研究計劃。2018年，他和團隊完成了國內首臺「冰刻」系統的研發。加入西湖大學後，仇旻帶領科研團隊繼續研發功能更加強大的「冰刻系統2.0」。
趙鼎告訴科技日報記者，在最新刊發的一系列學術論文中，研究團隊報告了水冰加工特性研究，包括刻冰深度與電子強度、電壓的關係以及精細線條和圖案的加工等。另外還報告了冰刻技術的拓展，以及對冰刻工藝的優化和提升。
「冰刻系統2.0」已在實驗中雛形初現，中間圓型的「中轉艙」是實現一站式的關鍵，樣品每完成一個步驟，都將被送回到這裡，再由機械臂將其送入下個步驟的「操作間」。
總的來說，研究團隊從多個維度入手，不斷提升冰刻技術，並取得一系列重要進展。
一方面，該研究團隊掌握了如何在冰刻中精準定位。
他們發現，當加工多層式三維立體結構時，可以先使用低強度的電子束，精確定位後再加大強度，正式開始「鏤空」作業。與使用光刻膠不同，這種方式不必額外引入複雜昂貴的對準裝置，就能夠輕易實現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度呈線性關係。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，並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係要複雜得多。
在圖A所示的單模光纖端面上，加工同心圓結構及圖BCD所示的結構。其中B圖單個結構寬度200納米，C圖單個領結型結構中心間隔30納米，D圖單個圓環外徑660納米、寬度110納米。
硬體設施初具雛形
「『冰刻1.0』系統的儀器體積較小、功能單一，適用於簡單微納結構的製作……當前『冰刻2.0』的研發才剛剛開始，但系統的硬體設施已初具雛形。」 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，通過人工構造的方式使材料產生奇特的性質。」仇旻實驗室博士研究生姚光南說。
仇旻和團隊成員在調試「冰刻系統2.0」。
趙鼎告訴記者，對於「冰刻2.0」系統，該團隊的目標是實現「原料進，成品出」的一站式微納加工。具體到技術性能，包括系統更加模塊化、加工對象兼容標準晶圓片、工作溫度更低以便於探索更多的「冰」材料、集成光電學測量功能等。
記者了解到，從全球範圍來看，冰刻技術的研發仍處於起步階段。這樣的技術，將來有哪些用場？
在仇旻看來，從本質上講，「冰刻」仍屬於電子束光刻。但它作為一種綠色且「溫和」的加工手段，尤其適用於非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。
仇旻團隊部分成員合影。
「在電子束光刻這個框架體系下，冰膠與傳統光刻膠之間更像是互補關係。傳統光刻膠工藝成熟，特別適合在大面積平整襯底上加工，冰膠則在微小的、不規則的或者非平面的襯底上加工優勢更加突出。」 趙鼎告訴科技日報記者，目前來看冰刻技術的應用場景集中在基於光纖、納米線、納米管以及二維材料的新型光電子器件製備。
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價說，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。
來源：科技日報文中圖片均由西湖大學提供
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來源： 科技日報
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