西湖大学突破“冰刻”三维微纳加工技术

在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端进行“冰刻”加工，且一次雕刻上百件作品，这是西湖大学仇旻实验室团队近期发布的一项三维微纳加工技术。

近两个月内，该团队在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等期刊上连续发表了一系列研究成果。

研究人员介绍，在2018年发布的“冰刻”系统研发的基础上，这次发布的“冰刻2.0”技术以“原料进、成品出”为目标，力争打造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、加工器件的一体化系统。

电子束光刻技术是微纳加工的核心技术之一，而光刻胶是加工过程中非常关键的材料。要在硅晶片上进行纳米尺度的加工，首先要将光刻胶均匀涂抹在晶片表面；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发生变化；用化学试剂洗去性质改变的光刻胶，能得到镂空的光刻胶模具；再将金属“填”进镂空位置，使之“长”在晶片表面；最后再用化学试剂将光刻胶清洗干净，去除废料留下金属结构。

传统电子束光刻技术的关键步骤

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是传统方法的第一步，这个动作像摊鸡蛋饼，如果铁板不平整，饼就摊不好。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。

研究团队将光刻胶换成了冰。他们把样品放入真空设备，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。

水蒸气可以包裹任意形状的表面、轻若无物，使得在脆弱材料上加工变成可能。由于水的特殊性质，加工流程也被极大简化。例如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，规避了传统化学清洗引起污染和光刻胶残留导致良品率低等问题。

应用冰胶的电子束光刻关键步骤

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”。研究团队负责人、西湖大学副校长仇旻教授说，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。

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。

相关研究论文链接：

1.https://doi.org/10.1039/D0NR05948J 

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

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