作者:仇旻等 来源:《纳米快报》 发布时间:2020/12/3 11:20:20
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仇旻团队研发“冰刻2.0”三维微纳加工系统

 

实验室里往来穿梭的人,穿着密密实实的连体服,戴着口罩、头套、手套,除了眼睛曝露在外,连一丝头发都不能飘散在空中……
 
这是位于云栖校区2号楼一楼的纳米光子学与仪器技术实验室,西湖大学最干净的地方之一——实验室采用正压设计,每一间都是“超净室”,不仅人不能随意进出,而且即使打开门,也要确保空气只能从实验室内部向外流动。
 
纳米光子学与仪器技术实验室是做什么的?顾名思义,他们主要是在微米、纳米尺度上,探索光与物质的相互作用,研发新型光电子器件及其制造工艺。其中,有一项叫“冰刻”的技术,是他们的重点研究方向之一。
 
相信大家小时候都看过美轮美奂的冰雕展,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,并且一次不止雕刻一件作品,而是百件以上呢?
 
近两个月来,实验室负责人仇旻和他的研究团队在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上,连续发表了一系列研究成果——在小到微米甚至纳米级别的“冰雕”上,他们已然游刃有余——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,一套以“wafer in, device out”为目标的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。
 
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中(微纳加工的核心技术之一)。
 
 
传统电子束光刻技术的关键步骤
 
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。
 
F370
 
应用冰胶的电子束光刻关键步骤
 
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。
 
 
冰刻系统2.0已在实验中雏形初现,中间圆型的“中转舱”是实现一站式的关键,样品每完成一个步骤,都将被送回到这里,再由机械臂将其送入下个步骤的“操作间”
 
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就会受到约束。
 
 
在薄至300纳米的冰胶上刻画图案,图中最小的微型雪花直径仅1.4微米,所有比例尺长度均为1微米
 
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。
 
 
图A所示的单模光纤端面上,加工同心圆结构及图BCD所示的结构,其中B图单个结构宽度200纳米,C图单个领结型结构中心间隔30纳米,D图单个圆环外径660纳米、宽度110纳米
 
 
从冰层沉积开始到吹除废料结束,加工全程不涉及化学溶剂
 
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。
 
 
仇旻和团队成员在调试冰刻系统2.0
 
“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。
 
 
仇旻团队部分成员合影
 
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?(来源:西湖大学)
 
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