西湖大学开启“冰刻2.0”研发,用冰替代光刻胶,或将简化传统光刻加工
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西湖大学开启“冰刻2.0”研发,用冰替代光刻胶,或将简化传统光刻加工

2020年12月05日 17:10:18
来源:DeepTech

“现在我们已经可以在光纤末端做出较为复杂的微纳米级‘冰雕’。” 近日,西湖大学光学工程讲席教授仇旻在接受 DeepTech 采访时表示。

仇旻团队近期发布的三维微纳加工技术,可在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端进行“冰刻”加工,且能一次性雕刻上百件作品。

图|不同图案的“冰雕”作品(来源:受访者供图)

近期,该系列研究陆续发表在 《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等期刊上,从精确定位到精准控制雕刻力度,再到以 “冰雕” 为模具制作结构和加工器件,一套新型三维微纳加工系统雏形初现。

图|“冰刻” 全过程(来源:受访者供图)

“冰刻” 技术,通俗的讲,就是把冰刻成想要的结构和形状,并以此为模具实现其他材料结构的制作。刻冰过程与常见的冰雕类似,但区别在于,仇旻团队使用的刻刀是肉眼看不见的电子束,制造的 “冰雕” 是微纳米级别的景观。

目前,他们已经可以实现在薄至 300 纳米的冰上刻画图案,下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。

图|在薄至 300 纳米的冰上刻画图案

在微纳加工技术中,目前广泛使用的是基于光刻工艺对材料或原料进行微细加工,制作成所需的微纳结构或器件。在这一过程中,光刻胶为非常关键的材料。

而仇旻团队所做的就是把光刻胶替换成冰,改称之为 “冰胶”,并将使用 “冰胶” 替代光刻胶完成微纳加工的电子束光刻工艺改称为 “冰刻”。

据仇旻介绍,目前除他和他的学生,全球也在研究此技术的仅有丹麦另一个实验室团队。

冰刻 2.0,一站式、自动化微纳加工系统

仇旻告诉 DeepTech,从 2012 年到 2018 年,团队证实 “冰刻” 方案行得通用了 6 年。从 2012 年开始,仇旻团队开始尝试把冰用在电子束光刻技术中,替代光刻胶进行电子束曝光。

2018 年,仇旻团队研究表明,在零下 140 度左右的真空环境下,“冰” 能够在原材料表面形成 “薄膜”,并且经过电子束加工可以做出简单的三维结构。6 年间,仇旻团队也完成了国内首台 “冰刻” 系统的研发,即 “冰刻 1.0”,可以实现简单结构和器件的制备。

图 | “冰刻”在单模光纤端面制作微纳结构

现阶段,“冰刻” 系统已优化到 2.0 版本。对于 “冰刻 2.0”,仇旻说,“我们的目标是,在未来 3-5 年实现‘wafer in, device out’的全流程一体化、自动化的一站式微纳加工,也就是一个原材料进去,一件成品器件出来。”

目前,冰刻 2.0 雏形已经在仇旻实验室初步搭建完成,他们希望,这套冰刻 2.0 系统可以使微纳加工的全过程在真空环境下完成。

图 | 实验室中的冰刻 2.0 雏形(来源:受访者提供)

仇旻表示,“现在使用冰刻 2.0 在实验室常用的样品上都能够形成比较复杂的三维结构,如光纤表面、芯片表面等,但和我们自己的期望还有一定距离。” 目前,仇旻团队正在把冰刻拓展到更多材料的加工上。

为什么用冰替代光刻胶

谈及用冰替代光刻胶的优势,仇旻给 DeepTech 的首选答案是清洁,其次是快速、简便。

光刻胶,是微纳加工过程中的关键材料。中国要造芯片,光有光刻机还不够,还得打破国外对光刻胶的垄断。但这样的光刻胶仍有局限性。

仇旻实验室助理研究员赵鼎说:“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。”。

图 | 传统电子束光刻技术的关键步骤

而上述问题在 “冰胶” 上是不存在的,“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。” 赵鼎解释道,“无常形” 的水蒸气可以包裹任意形状的表面,在凹凸不平和极小的样品上也不成问题;对于非常脆弱的样品,轻若无物的水蒸气也不会对材质造成威胁。

传统电子束光刻技术中,如果想要在硅晶片上,加工两个纳米级别的金属字 “春节”,首先需要将光刻胶均匀涂抹在硅晶片表面,再用电子束在真空环境中将 “春节” 二字写在光刻胶上。

此时,光刻胶上被写入 “春节” 字样的部分会发生变化,再用化学试剂将 “春节” 区域的胶洗去之后,光刻胶就会成为一块镂空的 “春节” 字样模板。最后,把金属材料 “打” 在镂空区域,再利用化学试剂把晶片表面剩余的光刻胶洗净,这样就完成了金属字 “春节” 的加工。

而如果用冰替代光刻胶,加工过程也将大大简化。刚刚提到的加工过程中,制造镂空模板需要用化学试剂对光刻胶进行清洗,而使用冰可免去化学清洗的操作。因为当电子束打在冰层上,被打到的冰将直接被气化,同样,“刻字” 完成后,冰也无需清洗,改变温度使其融化、或升华即可。

此外,仇旻实验室团队访问学生洪宇及其他成员发现,使用冰替代光刻胶进行的微纳加工,加工样品从零下 140 度的真空环境中返回到室温后,多余的金属材料将自然卷曲并与样品分离,可被轻松吹除。

无需化学试剂清洗这一步骤,使整个过程简便了许多,耗时也就相应减少。仇旻告诉 DeepTech,“在实验室里面,我们使用冰刻 2.0 系统进行一次微纳加工,目前通常需要半天的时间,复杂的器件不超过一天。而用以前的方法,通常来说要几天或者一个星期。” 他补充道,“工业上所有设备完备,可能不需要像实验室研究耗时这么多天,但对比之下,‘冰刻’技术用时肯定是大大缩减的”。

更多实际应用仍在探索

“冰刻” 的研究,对于仇旻团队来说,首先是有趣,谈及实际应用,仇旻表示目前还在探索中。

现在仇旻团队正在用冰刻来实现三维作画以及雕塑,仇旻说,“作为一种绿色且‘温和’的加工手段,冰刻尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料,甚至生物材料。未来希望这项技术能够运用到生物、微电子以及更多领域中”。

其实,最初提出把冰用于微纳加工技术上的并非仇旻团队。仇旻告诉 DeepTech,是大约 10 年前看到哈佛的一篇文章给了他灵感。那篇文章提出,用电子可以在冰上刻划出纳米级别的线条。

“这是一项令人激动的新技术”。仇旻对 DeepTech 说,“我经常和我的学生们说,一件事情有趣其实就够了,如果能有用会更好,既有趣又有用那就完美了。”

从被冰刻技术吸引到实现仪器设备,仇旻团队一做就是 8 年,目前,该技术仍旧属于冷门研究方向。仇旻笑称,“比南极的冰还冷(实验要在零下 140 度真空环境进行)。”

虽然冷门,但其价值之高不言而喻。对于该研究,复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授评论称,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。

2012 年,仇旻从瑞典皇家工学院回国任教,随后开启 “冰刻” 研究计划。入职西湖大学后,仇旻在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目的支持下,开始研发功能更加强大的 “冰刻系统 2.0”。

一直以来,仇旻课题组主要开展集成与纳米光子学方向研究,如新型微纳器件制造工艺、微纳光电子器件、新型光学材料等。因在纳米光子学领域的突出贡献,仇旻于 2013 年底当选美国光学学会会士(OSA Fellow)和国际光学工程学会会士(SPIE Fellow),2015 年底当选国际电气和电子工程师协会会士(IEEE Fellow)。

图|仇旻团队部分成员

谈及自己的研究,他表示,“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。”

而在中国从制造业大国向制造业强国的转变中,探索和创新以微纳加工为代表的超精密加工,正是中国制造的未来方向之一。