香港中文大学物理系团队研发「万能墨水」，配合激光写入技术大大简化高性能晶片的生产过程
【导读】生产高性能晶片的关键是掌握精准工艺，以制作微米及纳米等级的金属结构。由于技术要求十分高，导致制作成本高昂、过程繁琐和费时。香港中文大学（香港中文大学）物理系助理教授杨森教授、德国斯图加特大学物理系夏慷蔚博士率领的研究团队，最近研发了一种全新的「万能墨水」，配合单步激光直接写入技术，只需一些简单仪器便可掌握精准工艺，制作高性能晶片，大大减低生产成本。相关研究论文已在《自然通讯》期刊发表，香港中文大学亦已为此项技术申请专利。
基本物理原理开发新技术
业界近年广泛应用的光刻技术，是目前生产高性能晶片的最先进方法。这项技术十分复杂，涉及多个繁琐制备过程，包括旋涂光胶、定位、光刻、显影、蒸镀、电镀、剥离等，并需要使用光刻仪、蒸镀仪等一系列高昂的仪器，大大增加生产成本及难度。另一方面，基于纳米金属颗粒沉积的激光直接写入技术，则受制于电学、力学及解析度，精确度有限。
香港中文大学物理系的研究团队从基本的物理学原理出发，找出崭新的方法进行高精度的材料沉积。他们将不同的金属盐溶液加入半导体纳米颗粒溶胶，制成「万能墨水」，再运用光镊技术和半导体光电子效应，透过激光引发化学还原反应，合成金属纳米颗粒。它们会像「胶水」一样互相黏附，并沉积在晶片基底。改变激光的聚焦点，便可选择金属纳米颗粒沉积位置；墨水中的金属成分亦可随意调整，以配合不同晶片的应用。
一个激光诱导的材料沉积LIMD方法的原理示意图。（左）材料沉积过程的示意图，即在光场下，半导体纳米粒子被束缚在焦点上，并且在其表面上的光诱导还原反应将金属离子转化为金属沉积。（中）半导体粒子的理想能带结构。光子将电子从价带激发到导带中，成为触发光诱导还原反应的自由电子。（右）光诱导化学还原过程的示意图。半导体粒子（黑球）中的光子激发的自由电子将金属离子还原为半导体表面上的金属粒子（黄球）。b实验程序的示意图。（左）用一个装有金属盐的移液管，另一个装有半导体纳米颗粒的移液管将完全混合的试剂滴铸到基板表面。（中）由显微镜物镜聚焦的532 nm激光束在焦点上产生沉积。（右）沉积并用水洗涤后，沉积的图案留在基板上。C用LIMD方法在载玻片上沉积了三个样品。设计显示在上方。下排中的图像是中排的细节放大。（左）中大徽标以铂金书写。（中心）用白金和金书写的阴阳符号。（右）一幅中国传统水墨画，用铂金和金书写。白色比例尺代表50μm，蓝色比例尺代表25μm。
传统墨水绘出现代微纳米级材料制作新篇章
研究团队经过一番筛选及尝试，发现中国传统书法和水墨画，以及钢笔中所用的碳素墨水，当中的碳纳米颗粒具有很好的光还原性和微小的尺寸，是「万能墨水」理想的半导体纳米颗粒。团队在测试中制作的颗粒结构精确度达到纳米级别，力学性质适合制作柔性器材，导电及绝缘性能亦媲美现时采用的物料。此项技术只需要简单设备，便于大规模推广。由碳素墨水制成的「万能墨水」成本低廉，并且可回收再用，大大减低对环境的污染。
香港中文大学物理系研究团队发现，传统书法及水墨画使用的碳素墨水中的碳纳米颗粒，是「万能墨水」最理想的原材料。
用铂金「万能墨水」打印的香港中文大学校徽。(白色比例尺代表50微米。)
独特的应用前景
杨教授表示：「这项新技术有两大优势——第一，可以用多种材料制作复杂的图案，增加晶片的应用范围；第二，可以配合光学测量/量度仪器，以监控金属结构在沉积过程的精确度和质量，促进未来的晶片工业发展，尤其是量子科技晶片生产方面。」
通过LIMD方法制造的实际应用设备。
a – b两个柔性设备的示意图：电阻式挠性传感器a和基于电阻的触摸传感器b（更多详细信息，请参见补充信息）。c结合纳米金刚石颗粒的微波波导的SEM图像。d电阻依赖性与装置中测量的曲率一个。e器件b中两个铂金方块与触摸位置的电阻相关性。电阻被标准化为不接触的值。f微波驱动的Rabi振荡在金刚石中NV中心的电子自旋在c中的波导附近。g微波功率取决于拉比振荡频率。在进入微波波导之前，在微波功率放大器之后测量微波功率。h 3D激光写入的设计模式。该结构是逐层写入的。原始地形数据是从中国自然资源部获得的。我一个三维地形图由铁氧化物沉积制成。j，k的原理图j和用LIMD方法修复ITO触点之间的间隙的显微图像k。灰度条代表100μm。
新技术同时带来其他方面的应用，例如修复电极、制作3D电路等。此外，基于其技术通用性，材料选择将可更加多元化，有潜力在更多领域的工业上应用。香港中文大学团队将继续探讨及发展此项技术。
示范用两种不同金属（铂金和黄金）打印图案。左边：太极标志；右边：熊猫图案。（白色比例尺代表50微米。）
上：3D打印的金属地形图。（灰色比例尺代表100微米。）下：柔性材料及电路修复槪念图。
有关研究团队
杨森教授的实验团队主要研究固态系统中的量子资讯科学及科技，包括量子计算、量子通讯和量子传感测量。其团队主要研究碳基材料的量子光学特性，尤其是基于金刚石里氮空位中心的量子科技。团队研发出全球首个基于金刚石单个核自旋的高效量子光学记忆体，以及用于高压量子材料研究的量子感测器等。正在进行的研究包括研发基于金刚石的量子晶片、建立远端光量子网路，以及研究量子材料的超导和磁特性等。
研究团队包括夏慷蔚博士、香港中文大学物理系本科生卢颖琪同学、四位研究生陈一帆、洪兆辉、陈旸和沈阳。其中陈一帆和洪兆辉是是次研究的共同第一作者。夏慷蔚博士曾为香港中文大学物理系研究助理教授（现就职于德国斯图加特大学物理系），主要研究单个稀土离子精密谱学以及碳基材料光化学。
参考资料：
相关《自然通讯》研究论文：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19210-0 .