仇旻团队部分成员合影 。 西湖大学供图
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 。 西湖大学供图
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 。 西湖大学供图
还记得儿时看过的冰雕展吗？宫殿、动物、丛林 ， 让人不得不赞叹匠人的高超技艺 。
如果 ， 这样的冰雕是在仅有八分之一头发丝粗细的光纤末端上 ， 并且同时雕刻上百件 ， 那又是怎样的风景？
过去两个月 ， 西湖大学仇旻研究团队 ， 在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等期刊连续发表一系列研究成果 ， 对小到微米甚至纳米级别的“冰雕”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“原料进、成品出”为目标的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现 。
“其实我们只是把传统电子束光刻技术中的‘光刻胶’换成了冰” ， 西湖大学光学工程讲席教授、副校长仇旻说 。 但这一换 ， 却换出了一片全新的想象空间 。
什么是“冰刻”
如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面撒出“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 。 巧克力粉透过模具撒落到蛋糕上 ， “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） 。
假设我们要在硅晶片上加工纳米尺度的金属字 ， 我们首先需要将一种叫“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” ， 在真空环境中将金属字写在光刻胶上 ， 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？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 ， 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 。
“原料进、成品出”短短六个字 ， 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 。 ”
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8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 。 从瑞典皇家工学院回国后 ， 仇旻与招收的第一批博士研究生之一赵鼎 ， 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做出的选择 。 ”赵鼎说 。
“冰刻”原理简单明了 ， 但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5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 。
在最新发表的文章结尾 ， 仇旻团队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 。
【光刻胶|冰刻研究取得新突破】（本报采访人员 晋浩天 本报通讯员 冯怡 俞熙娜）
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