過去兩個月，西湖大學(xué)仇旻研究團隊在《納米快報》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等期刊上連續(xù)發(fā)表一系列研究成果，雕刻小到微米甚至納米級別的“冰雕”游刃有余，從精確定位到精準(zhǔn)控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結(jié)構(gòu)、加工器件，一套以“wafer in， device out”（原料進，成品出）為目標(biāo)的“冰刻2.0”三維微納加工系統(tǒng)雛形初現(xiàn)。
從冰層沉積開始到吹除廢料結(jié)束，加工全程不涉及化學(xué)溶劑。西湖大學(xué)供圖
“其實我們只是把傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)中的‘光刻膠’換成了冰?！背饡F說。但這一換，卻換出了一片全新的想象空間。
什么是“冰刻”
如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面撒出“生日快樂”四個字？你需要一片模具，模具上有鏤空的“生日快樂”字樣。巧克力粉透過模具撒到蛋糕上，“生日快樂”四個字就出現(xiàn)了。
類似的原理，也應(yīng)用在傳統(tǒng)的電子束光刻技術(shù)（微納加工的核心技術(shù)之一）中。
假設(shè)我們要在硅晶片上加工四個納米尺度的金屬字“西湖大學(xué)”，首先，需要將一種叫“光刻膠”的材料均勻地涂抹在晶片表面；
用電子束（相當(dāng)于肉眼看不見的“雕刻刀”）在真空環(huán)境中將“西湖大學(xué)”四個字寫在光刻膠上，對應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)會發(fā)生變化；
再用化學(xué)試劑洗去改性部分的膠，一片“鏤空”的光刻膠模具就做好了；
接下來便是將金屬“填”進鏤空位置，使之“長”在晶片表面；
最后再用化學(xué)試劑將所有光刻膠清洗干凈，去除廢料后只留下金屬字。
光刻膠是微納加工過程中非常關(guān)鍵的材料。有人說，中國要制造芯片，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”有局限性。
“在樣品上涂抹光刻膠，這是傳統(tǒng)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(zhì)不能過脆，否則容易破裂。”仇旻實驗室助理研究員趙鼎說。
那么，把光刻膠變成水冰呢？
《孫子兵法》中說：“兵無常勢，水無常形。”零下140攝氏度左右的真空環(huán)境，能讓水蒸氣凝華成無定形冰。“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；水蒸氣輕若無物，使在脆弱材料上加工變成可能。對應(yīng)“光刻膠”，他們給這層水冰起名“冰膠”，給冰膠參與的電子束光刻技術(shù)起名“冰刻”。
實際上，一旦將光刻膠換成了冰膠，還能夠極大地簡化加工流程，規(guī)避洗膠帶來的污染，以及難以洗凈的光刻膠殘留導(dǎo)致良品率低等問題?！氨獭敝恍枰尡诨蛏A成水蒸氣即可，仿佛這層冰膠不曾存在過一樣。
從原材料到成品一氣呵成
2012年，仇旻從瑞典皇家理工學(xué)院回國任教后不久，就開啟了“冰刻”研究計劃。經(jīng)過六年的努力，他和團隊將“冰刻”從紙上談兵變成現(xiàn)實，完成了國內(nèi)首臺“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。
來到西湖大學(xué)后，仇旻全力研發(fā)功能更加強大的“冰刻系統(tǒng)2.0”。他們希望創(chuàng)造出一套全流程一體化、自動化的微納加工系統(tǒng)——從冰膠形成開始，到模具加工、材料生長、器件性能表征，一氣呵成。
研究團隊已經(jīng)從精準(zhǔn)定位、雕刻力度等多個維度入手，不斷提升“冰刻”技術(shù)。
仇旻實驗室2019級博士研究生吳珊，找到了控制“雕刻力度”的方法。她通過實驗發(fā)現(xiàn)，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關(guān)系。
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，并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。
而使用光刻膠，電子與膠厚之間的關(guān)系要復(fù)雜得多，電子束“雕刻”時力道控制的精準(zhǔn)性和靈活性就會受到約束。
仇旻實驗室訪問學(xué)生洪宇和其他團隊成員則發(fā)現(xiàn)，不費“吹灰之力”就可以清除加工廢料。
他們利用冰刻技術(shù)，不僅在光纖端面（光纖“頭部”的橫截面），而且在光纖曲面（光纖“身體”表面）上加工制作出各種精巧的微納結(jié)構(gòu)。
尤其在最后清除廢料環(huán)節(jié)，他們發(fā)現(xiàn)樣品在真空中從低溫升回室溫后，多余的金屬材料自然卷曲并與樣品分離，可被輕易地吹除。
除此之外，利用冰在電子作用下與材料發(fā)生的獨特反應(yīng)，“我們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(gòu)造的方式使材料產(chǎn)生奇特的性質(zhì)”。仇旻實驗室2019級博士研究生姚光南目前正在開展這方面的研究。
“Wafer in， device out?！倍潭趟膫€單詞，形象地描繪出他們?yōu)楸?.0制定的遠大目標(biāo)—— 一進一出，送進去的是原材料，拿出來的是成品器件。
復(fù)旦大學(xué)物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊表示，這項工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要現(xiàn)實意義。
寂寞的冰上舞者
這是一群寂寞的冰上舞者。仇旻團隊已在“冰刻”這塊試驗田深耕了8年。
最初，他了解到哈佛大學(xué)的一支研究團隊演示了面向生命科學(xué)領(lǐng)域的“冰刻”加工雛形，這給了他靈感，讓他看到了這項技術(shù)在微納加工領(lǐng)域的巨大潛力。
這是一個無人區(qū)。仇旻用夢想的力量，吸引了他回國后招收的第一批博士研究生之一趙鼎，他們決定一起來挑戰(zhàn)這個課題?！安蛔隹登f大道上的跟隨者，而是獨辟蹊徑闖出一條新路，我想這是多數(shù)科研工作者更愿意選擇的?！壁w鼎說。
“冰刻”原理簡單明了，但是儀器的實現(xiàn)則異常艱辛。團隊需要對原有的電子束光刻設(shè)備進行大量改造。趙鼎為之奮斗了5年?！昂芏喙ぷ鞫际菑牧汩_始，比如注入水蒸氣，說起來很簡單，實際上經(jīng)過了一次次實驗，溫度要多低、注入口和樣品的距離要多遠、注入量和速率要多大……都得一 一驗證?！?/p>
趙鼎畢業(yè)之后，師弟洪宇接力，為冰刻系統(tǒng)的研發(fā)繪制了幾十稿設(shè)計圖紙。因為沒有現(xiàn)成的可以購買，多數(shù)情況下必須自己動手，他惡補了很多真空技術(shù)和熱學(xué)方面的知識。
而今，在國外完成兩年博士后研究之后，趙鼎又回到仇旻實驗室，繼續(xù)這場“冰刻”長跑。
事實上，全世界做冰刻的實驗室，目前滿打滿算只有兩個，一個在中國，一個在丹麥。顯然，這不是一個熱門的研究方向，且研發(fā)周期很長，想在這個課題上很快發(fā)文章并獲得高引用很難。
“但這是一項令人激動的新技術(shù)，對以微納加工為代表的超精密加工的探索和創(chuàng)新，正是中國制造指向的未來?！背饡F說。
在仇旻團隊最新發(fā)表的文章結(jié)尾，他們用一種非常科幻的方式展望了“冰刻”的未來。毫無疑問，未來圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于傳統(tǒng)“光刻”能力無法企及的領(lǐng)域。
受益于水這種物質(zhì)得天獨厚的生物相容性，在生物樣本上“冰刻”光子波導(dǎo)或電子電路有望得以實現(xiàn)。
而這將史無前例地提高人為干預(yù)生物樣本的能力，同時開辟出全新的學(xué)科交叉和研究方向。
