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https://mp.weixin.qq.com/s/o6CuvvM1NlO1dZSow-wsjg 原文
在半导体技术的发展过程中，器件的特征尺寸越来越小，光刻工艺也变得越发复杂，而这也导致了下一代光刻技术的成本不断增加。追求特征尺寸的缩小，就需要减小曝光波长。在比DUV和EUV更 的下一代光刻技术中，电子束光刻已被证明有非常高的分辨率，但其生产效率太低；X 线光刻虽然可以具备高产率，但X 线光刻的设备相当昂贵。光学光刻成本和复杂的趋势以及下一代光刻技术难以在短期内实现产业化激发人们去研发一种非光学的、廉价的且工艺简便的纳米技术，即纳米压印技术(Nanoimprint Lithography，NIL)。
1995年，华裔科学家周郁(Stephen Chou)提出了纳米压印技术(Nanoimprint Lithography，NIL)的思想。有别于传统的光刻技术，纳米压印将模具上的图形直接转移到衬底上，从而达到量产化的目的。NIL的基本思想是通过模版，将图形转移到相应的衬底上，转移的媒介通常是一层很薄的聚合物膜，通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留下转移的图形。整个过程包括压印和图形转移两个过程。根据压印方法的不同，NIL主要可分为热塑（Hot embossing）、紫外固化UV和微接触（Micro contact printing， uCP）三种光刻技术。由于微接触技术精度稍差，本文主要介绍前前两种工艺。相比于传统的光刻技术，纳米压印具有加工原理简单，分辨率高，生产效率高，成本低等优点。
图1 a.纳米压印热压印示意图，b.纳米压印UV固化示意图
热压印工艺是以Si或SiO2作为模具材料，通过加热使光刻胶熔化，将模具压入光刻胶，实现光刻胶的图案化，压印最小特征尺寸已达5nm。与传统光刻工艺相比，它不是通过改变光刻胶的化学特性而实现光刻胶的图案化，而是通过光刻胶的受力变形实现其图案化，属于热压印和硬压印。在热压过程中，由于模板与衬底的热膨胀系数不同，会在大的衬底上造成图形失真，因此不太适合于IC制造，而适合于光学或微机电系统制造。
紫外固化压印工艺是由德州大学的Willson等在热压印基础上提出，其需要采用石英模具，将模板图形压入转移层，通过紫外曝光，实现光刻胶的图案化，无需加热。因此，其属于常温紫外压印和硬压印光刻。紫外压印工艺与光刻工艺类似，对准性能好，适合于多层加工，由于低粘度的光敏有机交联单体很容易填充设计复杂，特征尺寸精细的半导体芯片，其更有可能成为半导体领域的纳米结构图形的主导技术。
表1 纳米压印主流技术特征比较
NIL S-FIL Ucp
模具材料 硬质材料 透明硬质(如石英) 软质(如PDMS)
最小尺寸 5nm 10nm 60nm
深宽比 1-6 1-4 无
模具成本 高 低 低
压力方式 高压 中压 低压
压印温度 Tg以上 室温 室温
压印过程 热压印 UV曝光固化转印 SAM自组装
多次压印 中 好 差
纳米压印模板对于压印图形的质量是至关重要的。制备模板的材料包括硅片、透明石英片、金属和蓝宝石等一些比较硬、具有高样式模量的材料。一般来说，硅片和石英片由于具有纳米压印过程中所需要的硬度和耐用度，是目前应用最为广泛的。在模板制造中，图形的产生采用光刻技术，对于大尺度的图形，可以采用现有半导体工艺中的DUV和EUV技术；对于线宽小的图形则需要采用电子束光刻技术。电子束光刻的精度可达10nm甚至以下。图案产生后，还需要进行沉积金属，剥离，反应离子刻蚀等工艺，最终把产生的图案转移到衬底上。一般来说，模板在进行压印前需要涂一层抗粘剂，其使得模板与压印胶之间的粘附性变差，从而使脱模变得容易，减少模板与基底之间的粘连。常见模板的结构有光栅结构、孔结构、柱结构、V型结构以及复杂精细结构等。
图2 几种常见的模板结构
纳米压印光刻胶与传统光刻胶相比，不受最短曝光波长限制，只与模板的精密度有关。因此，对光刻胶性能的要求相对降低了，但是随着工艺的改变，同样会引出新的问题，由于光刻胶直接与模板和衬底接触、固化，因此光刻胶与衬底、模板的作用力，光刻胶本身的反应体系以及物理性能，固化后的转移等都会影响图形精度。纳米压印用光刻胶要求具有易处理性和与衬底结合良好，还要求有好的热稳定性、粘度低、易于流动和优良的抗蚀刻性能。目前常用的紫外压印光刻胶聚合体系包括丙烯酸酯系、乙烯基醚、环氧树脂类，硫醇/烯类以及在此基础上的掺杂改性光刻胶，其各有优缺点。目前，纳米压印胶的折射率既有1.35这样的低折射率胶，又有高达1.8这样的高折射率胶，其有着不同的应用场景。
纳米压印技术的关键工艺包括：模板制造、压印过程(包括模板处理、加压、脱模过程)及图形转移过程。纳米压印精度和模板的精度直接相关；光刻胶材料影响着热压温度和曝光时间；压印过程中模板与压印材料之间的对准、平行度、压力均匀性、温度均匀性、脱模技术等都会影响最终的产品质量。在压印后精细结构检测方面，一般需要检测的项目包括：线宽、深度、缺陷、膜厚、粗糙度、翘曲度等，主要用到AFM、SEM、台阶仪、轮廓仪等设备。
纳米压印较传统光刻技术可在采用较低成本的条件下大批量制备具有超高精度的图形，同时也具有良好的均匀性和可重复性，此外可以传统光刻工艺有很大程度的兼容性。纳米压印除了在集成电路领域有着非常广阔的应用前景，同时在光学领域纳米压印可用来制备周期小于光学波长的亚波长光栅。纳米压印技术还可以用来制备光子晶体，2009年美国加州大学在GaN发光结构上利用纳米压印制备光子晶体，使得发光透过率增强了2.5倍。近年来，在AR/VR领域，纳米压印有着广泛的应用前景。此外，纳米压印在存储及MEMS制备领域，也有着巨大的应用潜力。
图3 纳米压印的应用领域
在发达国家都把纳米压印列入了重点发展领域，目前很多公司都投入人力、物力开展了纳米压印设备、光刻胶研发、模板制作以及应用等领域的研究。纳米压印技术在中国的起步虽然晚，但进展却十分迅速，目前国内主要研究机构包括复旦大学、北京大学、南京大学、吉林大学、西安交通大学、苏州大学及中科院等。相信在不久的将来，纳米压印技术必将不断完善，并且在集成电路制造等领域占据一席之地。
参考文献：
1.孙洪文等，纳米压印技术，电子工艺技术，2004，93-98
2.林宏，新型紫外纳米压印光刻胶的研究[D]，2012
3. SY Chou et al.Imprintof sub-25nm vias and trenches in polymers.Applied physics letters,1995,67(21):3114-3116.
4.SY Chou et al，Nanoimprint lithography，Journal of Vacuum Science & Technology, B，1996，14(6),4129-4133
5.Willson C G,et al.Low-Cost nanostructure patterning using step and flash imprint lithography,Proceedingsof SPIE-the international society for optical engineering, 2002.187-194
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