以“冰胶”代替光刻胶，西湖大学突破光刻新技术，或将简化传统光刻加工

自主可控新鲜事 2022-07-03

出品丨自主可控新鲜事

本文内容来源于半导体材料与工艺设备

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浙江在线12月4日报道，在西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室，一项关键材料科技创新正在逐渐成型。记者近日从西湖大学获悉：经过8年探索，仇旻研究团队在《纳米快报》等期刊上连续发表了系列研究成果，“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。

基于2年前完成研发的“冰刻”系统，“冰刻2.0”技术有望改变传统电子束光刻的繁琐加工程序，形成一套“材料进、成品出”的全流程一体化、自动化微纳加工系统。

“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。”研究团队负责人、西湖大学副校长仇旻说。这一换，换出了一条崭新的、有望开辟出重大发展与应用前景的技术路线。

光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一。所以有人说，中国要制造芯片，就要打破国外对光刻胶的垄断。

谈到“冰刻2.0”技术的创意，科研人员形象地举了一个例子。

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面洒出“生日快乐”？只需要一片有镂空“生日快乐”字样的模具。把来自宏观世界的灵感应用到微纳结构加工中，就是当前最常用的微纳加工方案之一——电子束光刻技术。

在传统的电子束光刻技术中，要在硅晶片上进行纳米尺度的加工，首先要将光刻胶均匀地涂抹在晶片表面；而后，用电子束在真空环境中将图案写在光刻胶上，对应位置的光刻胶性质会发生变化；之后，用化学试剂洗去性质改变的光刻胶，一片镂空的光刻胶模具就做好了。接下来，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结构。

不过，传统电子束光刻技术有一定局限性。“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。

光刻胶之所短，恰恰是水之所长。

研究人员把样品放入真空设备后，先给样品降温，再注入水蒸气。在零下140摄氏度左右的真空环境，水蒸气会在样品上凝华成薄薄的冰层。一方面水蒸气可以包裹任意形状、大小不拘的样品表面；另一方面，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，研究团队给这层冰起名“冰胶”，给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。

当电子束打在冰层上，冰会气化，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。这样可以极大地简化加工流程。

“冰刻”原理简单明了，但仪器的研制则异常艰辛。自2018年研发出“冰刻”系统后，研究团队进一步从定位精度、雕刻力度以及冰在电子作用下与材料发生的独特反应等多维度入手，持续研究，以提升“冰刻”技术。

仇旻说，本质上“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，甚至为生物材料加工创造更多可能。

冰刻2.0：从原材料到成品一气呵成

2012年，仇旻从瑞典皇家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，他和他的团队将“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，仇旻在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目（自由申请类）的支持下，全力研发功能更加强大的“冰刻系统2.0”。他们希望改变传统电子束光刻繁琐的加工程序，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。

研究团队已经从多个维度入手，不断提升“冰刻”技术。

例如，团队成员掌握了如何“精准定位”。想要有效“雕刻”冰胶，电子作用强度有一定要求，强度太弱冰胶不会消失。这让原本仅作为“刻刀”使用的电子束新增了“定位器”的功能。

当加工多层式三维立体结构时，可以先用低强度的电子束（减少对冰层损坏）透过冰胶，观察并找到下层已经完成的结构；精确定位后再加大强度，正式开始“镂空”作业。这样一来，就不需要像使用光刻胶那样额外引入复杂昂贵的对准装置，能够轻易实现几十纳米的加工定位精度。

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都会受到约束。

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，可以被轻易地吹除。

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。

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。

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。”他说。

仇旻团队已在“冰刻”这块试验田深耕了八年。

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，感召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的选择。”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。赵鼎为之奋斗了五年。“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。

■ 关于西湖大学

西湖大学是一所社会力量举办、国家重点支持的新型高等学校，前身为浙江西湖高等研究院，由施一公、陈十一、潘建伟、饶毅、钱颖一等发起创办，于2018年2月14日正式获教育部批准设立，举办方是杭州市西湖教育基金会，首任校长由施一公教授担任。学校按照“高起点、小而精、研究型”的办学定位，致力于集聚一流师资、打造一流学科、培育一流人才、产出一流成果，努力为国家科教兴国和创新驱动发展战略作出突出贡献。

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