在纳米尺度做冰雕，这项绝活儿意义重大
◎ 科技日报记者 刘园园 通讯员 冯怡
时值冬季
各种美轮美奂的冰雕又要登场
西湖大学科研团队
展示了一种“冰雕”绝活儿
他们的“冰雕”
小到微米甚至纳米级别
记者12月9日从西湖大学获悉，近两个月来，西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室负责人仇旻和他的研究团队在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等国际知名期刊上，连续发表了一系列关于冰刻的研究成果。
在微米甚至纳米级别的“冰雕”上，该研究团队已经可以实现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——一种新型三维微纳加工系统雏形初现。
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。
传统光刻胶存在局限
要理解他们研发的冰刻技术，需要先了解传统的电子束光刻技术。
举个例子，假如我们要在硅晶片上加工4个纳米尺度的金属字“科技日报”，按照传统电子束光刻技术大概需要这么几步：
第一步，我们需要将一种叫光刻胶的材料均匀地涂抹在晶片表面。
第二步，用电子束（相当于肉眼看不见的“雕刻刀”）在真空环境中将“科技日报”4个字写在光刻胶上，对应位置的光刻胶性质会发生变化。然后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，需要将金属“填”进镂空位置，让它“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。
传统电子束光刻技术的关键步骤。
不难看出，光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。不过，光刻胶存在一定局限性。
“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。
光刻胶之短，“冰胶”之长
如果把光刻胶换成薄薄的一层冰，会是什么样的效果？
“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。
正如常言道，兵无常势，水无常形。在零下140度左右的真空环境中，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，也使在脆弱材料上加工变成可能。
对应光刻胶，科研人员给这层水冰起名“冰胶”，给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。
科研人员介绍，一旦将光刻胶换成冰胶，由于水的特殊性质，还能够极大地简化加工流程。
应用冰胶的电子束光刻关键步骤。
“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，仿佛这层冰胶不曾存在一样。
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。
研发“冰刻系统2.0”
据介绍，2012年，仇旻回国任教后不久，就开启了“冰刻”研究计划。2018年，他和团队完成了国内首台“冰刻”系统的研发。加入西湖大学后，仇旻带领科研团队继续研发功能更加强大的“冰刻系统2.0”。
赵鼎告诉科技日报记者，在最新刊发的一系列学术论文中，研究团队报告了水冰加工特性研究，包括刻冰深度与电子强度、电压的关系以及精细线条和图案的加工等。另外还报告了冰刻技术的拓展，以及对冰刻工艺的优化和提升。
“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”。
总的来说，研究团队从多个维度入手，不断提升冰刻技术，并取得一系列重要进展。
一方面，该研究团队掌握了如何在冰刻中精准定位。
他们发现，当加工多层式三维立体结构时，可以先使用低强度的电子束，精确定位后再加大强度，正式开始“镂空”作业。与使用光刻胶不同，这种方式不必额外引入复杂昂贵的对准装置，就能够轻易实现几十纳米的加工定位精度。
另一方面，实验室成员还找到了控制刻冰力度的方法。
实验显示，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。相比之下，使用光刻胶，电子与胶厚之间的关系要复杂得多。
在图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。
硬件设施初具雏形
“‘冰刻1.0’系统的仪器体积较小、功能单一，适用于简单微纳结构的制作……当前‘冰刻2.0’的研发才刚刚开始，但系统的硬件设施已初具雏形。” 赵鼎告诉科技日报记者。
“我们目前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。”仇旻实验室博士研究生姚光南说。
仇旻和团队成员在调试“冰刻系统2.0”。
赵鼎告诉记者，对于“冰刻2.0”系统，该团队的目标是实现“原料进，成品出”的一站式微纳加工。具体到技术性能，包括系统更加模块化、加工对象兼容标准晶圆片、工作温度更低以便于探索更多的“冰”材料、集成光电学测量功能等。
记者了解到，从全球范围来看，冰刻技术的研发仍处于起步阶段。这样的技术，将来有哪些用场？
在仇旻看来，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。
仇旻团队部分成员合影。
“在电子束光刻这个框架体系下，冰胶与传统光刻胶之间更像是互补关系。传统光刻胶工艺成熟，特别适合在大面积平整衬底上加工，冰胶则在微小的、不规则的或者非平面的衬底上加工优势更加突出。” 赵鼎告诉科技日报记者，目前来看冰刻技术的应用场景集中在基于光纤、纳米线、纳米管以及二维材料的新型光电子器件制备。
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价说，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。
来源：科技日报 文中图片均由西湖大学提供