在1/8发丝粗细的光纤上“起舞”：“冰刻”技术展现中国制造未来

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》等期刊上连续发表一系列研究成果，雕刻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“wafer in， device out”（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。

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

“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。”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（微纳加工的核心技术之一）中。

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，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。

光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。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摄氏度左右的真空环境，能让水蒸气凝华成无定形冰。“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；水蒸气轻若无物，使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，规避洗胶带来的污染，以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题。“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过一样。

从原材料到成品一气呵成

2012年，仇旻从瑞典皇家理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，仇旻全力研发功能更加强大的“冰刻系统2.0”。他们希望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。

研究团队已经从精准定位、雕刻力度等多个维度入手，不断提升“冰刻”技术。

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。

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，可被轻易地吹除。

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。

复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊表示，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现实意义。

寂寞的冰上舞者

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。仇旻用梦想的力量，吸引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选择的。”赵鼎说。

“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，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。”仇旻说。

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。

相关论文信息：

https：//doi.org/10.1039/D0NR05948J

https：//doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265

https：//doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809