光刻胶卡脖子？那就用冰！西湖大学突破三维微纳加工技术
浙江新闻客户端
还记得儿时看过的冰雕展吗？美轮美奂的宫殿、动物、丛林，让人不得不赞叹匠人的鬼斧神工。
如果，这样的冰雕是发生在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端，并且不止雕刻一件作品，而是同时雕刻百件以上呢？
这样的风景，正发生在西湖大学云栖校区的纳米光子学与仪器技术实验室里。
过去两个月，西湖大学仇旻研究团队，在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上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“wafer in, device out.”（材料进，成品出）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。”仇旻说。但这一换，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洒出“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。巧克力粉透过模具洒落到蛋糕上，“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——微纳加工的核心技术一—之中。
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，我们需要将一种叫“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。
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？
《孙子兵法》中说：“兵无常势，水无常形。”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，由于水的特殊性质，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。”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。