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https://mp.weixin.qq.com/s/o6CuvvM1NlO1dZSow-wsjg 原文
在半導體技術的發展過程中，器件的特征尺寸越來越小，光刻工藝也變得越發複雜，而這也導致了下一代光刻技術的成本不斷增加。追求特征尺寸的縮小，就需要減小曝光波長。在比DUV和EUV更 的下一代光刻技術中，電子束光刻已被証明有非常高的分辨率，但其生產效率太低；X 線光刻雖然可以具備高產率，但X 線光刻的設備相當昂貴。光學光刻成本和複雜的趨勢以及下一代光刻技術難以在短期內實現產業化激發人們去研發一種非光學的、廉價的且工藝簡便的納米技術，即納米壓印技術(Nanoimprint Lithography，NIL)。
1995年，華裔科學家周郁(Stephen Chou)提出了納米壓印技術(Nanoimprint Lithography，NIL)的思想。有別於傳統的光刻技術，納米壓印將模具上的圖形直接轉移到襯底上，從而達到量產化的目的。NIL的基本思想是通過模版，將圖形轉移到相應的襯底上，轉移的媒介通常是一層很薄的聚合物膜，通過熱壓或者輻照等方法使其結構硬化從而保留下轉移的圖形。整個過程包括壓印和圖形轉移兩個過程。根據壓印方法的不同，NIL主要可分為熱塑（Hot embossing）、紫外固化UV和微接觸（Micro contact printing， uCP）三種光刻技術。由於微接觸技術精度稍差，本文主要介紹前前兩種工藝。相比于傳統的光刻技術，納米壓印具有加工原理簡單，分辨率高，生產效率高，成本低等優點。
圖1 a.納米壓印熱壓印示意圖，b.納米壓印UV固化示意圖
熱壓印工藝是以Si或SiO2作為模具材料，通過加熱使光刻膠熔化，將模具壓入光刻膠，實現光刻膠的圖案化，壓印最小特征尺寸已達5nm。與傳統光刻工藝相比，它不是通過改變光刻膠的化學特性而實現光刻膠的圖案化，而是通過光刻膠的受力變形實現其圖案化，屬於熱壓印和硬壓印。在熱壓過程中，由於模板與襯底的熱膨脹係數不同，會在大的襯底上造成圖形失真，因此不太適合於IC製造，而適合於光學或微機電系統製造。
紫外固化壓印工藝是由德州大學的Willson等在熱壓印基礎上提出，其需要採用石英模具，將模板圖形壓入轉移層，通過紫外曝光，實現光刻膠的圖案化，無需加熱。因此，其屬於常溫紫外壓印和硬壓印光刻。紫外壓印工藝與光刻工藝類似，對準性能好，適合於多層加工，由於低粘度的光敏有機交聯單體很容易填充設計複雜，特征尺寸精細的半導體芯片，其更有可能成為半導體領域的納米結構圖形的主導技術。
表1 納米壓印主流技術特征比較
NIL S-FIL Ucp
模具材料 硬質材料 透明硬質(如石英) 軟質(如PDMS)
最小尺寸 5nm 10nm 60nm
深寬比 1-6 1-4 無
模具成本 高 低 低
壓力方式 高壓 中壓 低壓
壓印溫度 Tg以上 室溫 室溫
壓印過程 熱壓印 UV曝光固化轉印 SAM自組裝
多次壓印 中 好 差
納米壓印模板對於壓印圖形的質量是至關重要的。制備模板的材料包括硅片、透明石英片、金屬和藍寶石等一些比較硬、具有高樣式模量的材料。一般來說，硅片和石英片由於具有納米壓印過程中所需要的硬度和耐用度，是目前應用最為廣氾的。在模板製造中，圖形的產生採用光刻技術，對於大尺度的圖形，可以採用現有半導體工藝中的DUV和EUV技術；對於線寬小的圖形則需要採用電子束光刻技術。電子束光刻的精度可達10nm甚至以下。圖案產生后，還需要進行沉積金屬，剝離，反應離子刻蝕等工藝，最終把產生的圖案轉移到襯底上。一般來說，模板在進行壓印前需要塗一層抗粘劑，其使得模板與壓印膠之間的粘附性變差，從而使脫模變得容易，減少模板與基底之間的粘連。常見模板的結構有光柵結構、孔結構、柱結構、V型結構以及複雜精細結構等。
圖2 幾種常見的模板結構
納米壓印光刻膠與傳統光刻膠相比，不受最短曝光波長限制，只與模板的精密度有關。因此，對光刻膠性能的要求相對降低了，但是隨着工藝的改變，同樣會引出新的問題，由於光刻膠直接與模板和襯底接觸、固化，因此光刻膠與襯底、模板的作用力，光刻膠本身的反應體系以及物理性能，固化后的轉移等都會影響圖形精度。納米壓印用光刻膠要求具有易處理性和與襯底結合良好，還要求有好的熱穩定性、粘度低、易於流動和優良的抗蝕刻性能。目前常用的紫外壓印光刻膠聚合體系包括丙烯酸酯系、乙烯基醚、環氧樹脂類，硫醇/烯類以及在此基礎上的摻雜改性光刻膠，其各有優缺點。目前，納米壓印膠的折射率既有1.35這樣的低折射率膠，又有高達1.8這樣的高折射率膠，其有着不同的應用場景。
納米壓印技術的關鍵工藝包括：模板製造、壓印過程(包括模板處理、加壓、脫模過程)及圖形轉移過程。納米壓印精度和模板的精度直接相關；光刻膠材料影響着熱壓溫度和曝光時間；壓印過程中模板與壓印材料之間的對準、平行度、壓力均勻性、溫度均勻性、脫模技術等都會影響最終的產品質量。在壓印后精細結構檢測方面，一般需要檢測的項目包括：線寬、深度、缺陷、膜厚、粗糙度、翹曲度等，主要用到AFM、SEM、臺階儀、輪廓儀等設備。
納米壓印較傳統光刻技術可在採用較低成本的條件下大批量制備具有超高精度的圖形，同時也具有良好的均勻性和可重複性，此外可以傳統光刻工藝有很大程度的兼容性。納米壓印除了在集成電路領域有着非常廣闊的應用前景，同時在光學領域納米壓印可用來制備週期小於光學波長的亞波長光柵。納米壓印技術還可以用來制備光子晶體，2009年美國加州大學在GaN發光結構上利用納米壓印製備光子晶體，使得發光透過率增強了2.5倍。近年來，在AR/VR領域，納米壓印有着廣氾的應用前景。此外，納米壓印在存儲及MEMS制備領域，也有着巨大的應用潛力。
圖3 納米壓印的應用領域
在發達國家都把納米壓印列入了重點發展領域，目前很多公司都投入人力、物力開展了納米壓印設備、光刻膠研發、模板製作以及應用等領域的研究。納米壓印技術在中國的起步雖然晚，但進展卻十分迅速，目前國內主要研究機構包括復旦大學、北京大學、南京大學、吉林大學、西安交通大學、蘇州大學及中科院等。相信在不久的將來，納米壓印技術必將不斷完善，並且在集成電路製造等領域佔據一席之地。
參考文獻：
1.孫洪文等，納米壓印技術，電子工藝技術，2004，93-98
2.林宏，新型紫外納米壓印光刻膠的研究[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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