在八分之一发丝粗细的光纤末端同时雕刻上百件“冰雕”
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 。
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