上海交大胡开明：探索新型柔性微纳加工技术，助力破解光刻难题

·微纳加工技术是衡量国家高端制造业水平的标志之一，柔性微纳制造技术是信息芯片、新型装备、光电器件的源头性基础技术。

·学科交叉有利于创新，解决卡脖子难题。要在结合自身特长、保持核心竞争力的基础上选择热爱的科研方向，找到科研的意义，才能够长期坚持坐冷板凳。

胡开明在加州大学伯克利分校求学期间进行器件测试实验。

10纳米工艺相当于可在一根头发丝的截面上制作出50万个晶体管，这种微纳加工技术是衡量国家高端制造业水平的标志之一。伴随柔性微机电系统需求的日益增长，传统微纳加工技术又增加了“柔性”需求。上海交通大学机械与动力工程学院副教授胡开明日前对澎湃科技（www.thepaper.cn）表示，柔性微纳制造技术是当下国家极端制造重大战略需求的关键技术，未来信息芯片、新型装备、光电器件均有赖于该源头性基础技术。

今年8月，胡开明入选“上海科技青年35人引领计划”获奖名单，他所从事的“光激励下表面失稳结构控形控性研究”可发展为一种既非减材制造也非增材制造的新型柔性微纳加工技术，为我国突破光刻技术封锁提供了新的技术路线。

未来信息芯片的源头基础技术

微纳加工技术是衡量国家高端制造业水平的标志之一，区别于传统机械加工毫米级的尺寸量级，微纳加工是制造微米和纳米尺寸量级微小结构的加工技术，尺寸范围在200微米以下到纳米甚至亚纳米级别。这一加工技术起源于微电子，人们常提到的5纳米芯片、3纳米芯片就是运用平面微纳加工工艺制成。光刻、刻蚀、沉积是芯片制造中的三大关键工序，也是微纳加工涉及到的三大加工工艺。但眼下我国这三大技术都面临关键设备被卡脖子、技术封锁自研困难局面。与此同时，柔性可穿戴设备等柔性微机电系统的需求日益增长，对传统微纳加工技术提出新的挑战，传统微纳技术针对的是硅基硬质材料的制造。材料属性不同，器件的加工原理和方法自然就要变革。

柔性微纳制造技术成为当下国家极端制造重大战略需求的关键技术，未来信息芯片、新型装备、光电器件均有赖于该源头性基础技术。

胡开明团队的研究为柔性微纳制造技术的研发找到了一个新的突破口。“我们发现光可以控制表面失稳，我们沿用了光刻原理，在紫外光的诱导下发生表面失稳，利用光控的表面失稳结构把材料从A位置变到B位置，通过材料的定向移动让材料自己跟自己组装，最后堆成我们想要的微结构甚至钠结构。”胡开明表示，这种表面失稳力学研究在光刻技术、功能器件等方面有着重要应用价值。光激励下表面失稳结构控形控性研究可发展为一种新型微纳结构的软光刻技术，为我国突破光刻技术封锁提供新的技术路线。软光刻技术用弹性模代替了传统光刻中硬模，具有高效、低成本、可制造三维结构等优点，广泛应用于航空航天、柔性电子、生物科学等领域。

柔性微纳加工技术的新方向

2011年从中南大学机械工程专业毕业后，胡开明进入上海交通大学机械工程专业硕博连读。博士阶段的最后两年，他前往美国加州大学伯克利分校机械系完成联合培养。在那里，他认识到微纳加工技术的起源与发展。2017年回国后，胡开明开始反思能否结合机械学科的特点开发出新的微纳加工技术。

国际上，柔性微纳制造技术主要包括纳米压印技术和3D、4D打印技术。上世纪90年代提出的纳米压印技术利用光刻胶辅助将模板上的微纳结构通过刻蚀传递工艺转移到待加工材料上。“原先硅片是毫米级的，通过刻蚀等各种方法把尺度减到微米甚至纳米级。”胡开明表示，这种减材制造将材料逐步减小，达到目标尺度。而3D打印和4D打印是一种增材制造技术，“原来的材料是原子级、分子级的，一点点累积叠加材料，生成目标物体。”

“纳米压印技术国内做了很多年，但仍处于跟随状态，3D打印和4D打印是国外首创，如果跟随已有柔性微纳制造技术，对我们年轻人来说，创新性不足。”力学出身的胡开明前期利用光刻、刻蚀等传统微纳加工技术制造器件时发现，光可以控制表面失稳，摸索一阵后又发现这可以制成微纳结构，于是他大胆提出了一种既非减材制造也非增材制造的新型柔性微纳加工技术，也就是表面失稳引导的力学自组装技术。

表面失稳结构控形控性的研究不仅为我国突破光刻技术封锁提供新的技术路线，还可以提高光通信加密的安全等级。胡开明介绍说，“我们基于表面失稳做了一些微纳结构，光在微纳结构里会发生反射、折射和衍射，人为控制光的反射、折射和衍射可以改变光的传播方向、强度、波长。”目前他和团队正基于表面失稳引导的力学自组装技术探索开发柔性光栅，实现光操纵，未来可用于光编码加密技术、光操纵等信息安全领域，“相对于静态光栅，近红外调控的动态衍射光栅具有动态原位调节和切换等优势，可显著提高光通信加密的安全等级。”

胡开明表示，可编程光控自组装结构形成机理、力学设计理论与其在微纳制造技术应用研究是当前微纳尺度力学领域的研究热点与难点，是亟需解决的前沿性基础科学问题。大面积、高准直度、有序自组装结构设计和制造也是关键性微纳技术问题。此外，微纳自组装结构控形控性研究可突破力学、机械、材料学之间学科壁垒，促进多学科交叉融合创新。

从怀疑人生到坚定方向

独自待在实验室10小时也能坐得住，胡开明享受琢磨新技术的过程，他觉得自己是适合做科研的性格。回忆起自己的科研经历，本科阶段，胡开明明确了读研目标，但那时候的他并不明白读研和科研的区别。进入上海交通大学后，导师告诉他，博士阶段一定要完成“华丽转身”，从工程项目思维转换成科学问题思维，发现一个科学问题。摸索过程中，他越来越喜欢科研。琢磨出第一篇SCI（《科学引文索引》，美国科学信息研究所创建的一部国际性的检索刊物）论文的灵感后，“当天晚上就在小本本上记下来，晚上兴奋得睡不着觉。”

国内的求学经历以力学理论为主，国外开始接触设备、实验和工艺，这对胡开明来说是180度大转变。虽然他知道这是1+1>2，但胡开明仍然觉得自己“格格不入”，“他们讲的很多东西我完全不懂。”他甚至开始怀疑人生，质疑自己是否适合科研。

最终他调整心态，花了三个月狂补微纳加工领域的经典教材和专著，筑牢基础后信心倍增。经过两年时间沉心补习基础课，他的理论知识与工艺技能融合。在加州大学伯克利分校时，胡开明用微纳加工技术制备出一个指纹识别器件。

尽管博士阶段对微纳加工技术的认知薄弱，但对微纳机电系统的力学分析为他的微纳加工技术学习和创新打下理论基础，胡开明感慨，“博士阶段理论一定要扎实，后劲才会足。”但他也曾经历过迷茫。博士即将毕业时，未来究竟要选择什么方向？是躺在以前的舒适区，还是在无人区迈出新一步？胡开明也一度找不到答案。直到2017年博士快毕业时，他终于找到了科研方向和前行动力。“我国在微纳加工领域面临很多没有解决的关键科学问题和技术问题。年轻人应该做一些事，把这个领域往前推进小小一步。”

胡开明表示，学科交叉有利于创新，解决卡脖子难题，要在结合自身特长、保持核心竞争力的基础上选择热爱的科研方向，找到科研的意义，才能够长期坚持坐冷板凳。“坚持1000个小时可以入门，坚持10000小时会成为领域专家。”目前其研发的表面失稳结构特征尺寸在10纳米级别，胡开明表示，未来将从材料、工艺角度探索研发5纳米甚至3纳米的更小尺度结构。同时扎根应用，制造1-2个器件开展系统性研究，将表面失稳引导的力学自组装技术落地在光操纵领域，并将技术集成实现装备化，“我们不想让这个技术只是躺在几个专利、几篇论文上。”

（编者注：本文系澎湃科技与上海科技联合推出的“正自广阔：上海科技青年35人引领计划追光报道”系列之一。敬请垂注更多后续报道。）