周 雪，白 玲，邢 勇，代曉南

（鄭州職業(yè)技術學院 河南 鄭州 450010）

1 引言

“納米壓印技術”（Nano-Imprint Lithography，以下簡稱NIL）是一種新型謄寫工藝，它像印章一樣將模板上雕刻的精細圖案壓印到材料表面。模板表面涂上了薄薄的樹脂材料作為襯底，方便壓印表面圖案。壓印過程中需要加熱、使熱塑性樹脂變形的工藝叫“熱納米壓印技術”；利用紫外線照射紫外線硬化樹脂成型的技術叫“紫外光納米壓印技術”。美國普林斯頓大學的周郁教授在1995年首次使用熱納米壓印技術，壓印作品的分辨率高達10～50 nm，此后納米壓印技術作為劃時代的精細加工技術開始受到關注[1]。目前，NIL已經成為絕大多數半導體器件制造都需要用到的技術，該技術不僅使在大面積表面上制造小于20 nm的結構成為現實，同時賦予了制作納米結構和復雜圖案模型的功能。

2 納米壓印技術的基本原理與模板制備

2.1 納米壓印的基本原理

納米壓印過程中主要包含三個步驟：母材模板制備、圖形復制和圖形轉移。在硅或其他襯底上預先附上聚合物涂層（例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等）作為基體，將已刻有納米圖形的模板通過相應的設備和器具配合，與基體接觸并進行精確壓印定型，經過一定的條件（例如時間、壓力、溫度、光照等）后，將模板與基體分離，這樣便能實現圖形的復制，使模板表面的納米結構圖案轉移到基體表面的聚合物涂層上。隨后，采用刻蝕技術或剝離技術，將聚合物涂層上的納米結構圖案轉移到基體上，實現納米結構圖案的轉移[2]。

2.2 納米壓印模板的制備

作為納米壓印制造的基礎，制備高分辨率、穩(wěn)定、可重復使用的模板是非常關鍵的。半導體工業(yè)中常用電子束曝光技術及激光干涉光刻技術來制備模板。

在電子束曝光技術中，主要是利用電子束光刻膠對電子敏感反應而形成曝光圖形的原理，在覆蓋有電子束光刻膠的基板上使用聚焦的電子束直接按照設定好的圖形程序繪制圖像。通過這種技術我們可以實現在電子束分辨率限度內的任何圖案的復印，因此在半導體設備制造行業(yè)應用極廣，然而由于存在生產效率低、價格昂貴的特點，該項技術在大規(guī)模生產中的應用受到了一定的限制[3]。

在激光干涉光刻技術中，位于干涉場內光強度的分布是利用光的干涉和衍射原理通過設定好的光束組合方式來有效控制，同時由感光材料記錄并獲得高分辨和大面積的光刻圖形模板。自20世紀末起發(fā)展到現在，該項技術作為一種新興的光學曝光技術，已經成為制備大面積周期性微納結構的一種有效方法，受到越來越多的科研人員的重視[4]。該技術系統(tǒng)簡單廉價，不需要復雜的光學元件和掩模板，然而，相較上述電子束曝光技術，激光干涉光刻技術在制備周期性結構時有很大的優(yōu)勢，但不足之處是不能用于制備非周期性的陣列特征結構。

3 納米壓印工藝

納米壓印技術自1995年被提出，發(fā)展至今，常用的納米壓印技術有三種：納米熱壓印、紫外光固化壓印、微接觸印刷（軟刻蝕）[5]。

3.1 納米熱壓印工藝

作為獲得微納尺寸結構的一種主要方法，納米熱壓印工藝僅用一個印有納米結構圖案的模板，便可將圖案復制到較大的基體表面上，是一種經濟而高效的途徑[6]。其主要步驟（見圖1）如下。

（1）在基體硅片表面涂附一層聚合物抗蝕劑，并加熱到它的玻璃化溫度以上，使之由固體向彈性體轉變。

（2）施加壓力，聚合物被印有納米結構圖案的模板所壓。

（3）保持相應的溫度和壓力一段時間，使彈性體的聚合物可以完全成型模板上的納米圖案。

（4）聚合物涂層冷卻到玻璃化溫度以下，圖案固化后將模板與聚合物分離開來。

（5）利用刻蝕技術或剝離技術進行圖案轉移。納米熱壓印中的刻蝕技術是一種對聚合物抗蝕劑進行選擇性刻蝕而得到納米結構圖案的工藝，刻蝕時是通過固化后的聚合物圖案為掩模。剝離工藝則是首先采用鍍金工藝，在聚合物圖案表面鍍金層，然后用有機溶劑將有聚合物的地方溶解，與此同時鍍在它上面的金層也會一起剝離。這樣就在基體表面形成金的納米圖案層，后續(xù)以金為掩模，對其下層基體進行刻蝕加工。

圖1 納米熱壓印工藝流程示意圖

3.2 紫外壓印工藝

與納米熱壓印不同，紫外壓印是一種在室溫下進行的壓印技術，它的基本流程見圖2。首先制備對紫外光透明的高精度掩模板，制備時一般采用SiO2或金剛石材質作為掩模板；再將室溫下流動性很好的聚合物—感光有機硅溶液旋涂在基片硅片上，這層旋涂上去的液態(tài)機硅溶液即光刻膠厚度為600～700 nm[7]；為使液態(tài)光刻膠填滿模板空隙，一般會通過較低的壓力，將掩模板與光刻膠進行接觸，同時用紫外光從掩模板背面照射光刻膠，光刻膠將在紫外光照射下發(fā)生交聯(lián)反應并固化；隨后，將掩模板與固化后的光刻膠進行脫模；脫模后為了把圖案由掩模板轉移至基板上的同時得到高深寬比的納米圖案結構，需要消除殘留的光刻膠，這時會用到反應離子刻蝕技術。紫外壓印技術與熱壓印技術相比有一些顯著的優(yōu)勢，紫外壓印可以在室溫條件下壓印，從而消除了模具、基體、光刻膠等的熱膨脹因素。

圖2 紫外壓印工藝流程示意圖

3.3 微接觸印刷（軟刻蝕）

微接觸印刷技術由哈佛大學提出，這種工藝與蓋章的概念最為相近。其基本操作是采用彈性的印章模板PDMS（聚二甲基硅氧烷）通過接觸法充分蘸上烷基硫醇溶液（烷基硫醇溶液即為所謂的“墨汁”），同時準備好作為襯底的基體硅片，基體可以先鍍上一薄層鈦層然后再鍍金，以增加粘連性，隨后將浸有“墨汁”的彈性PDMS印章蓋在襯底基體上，以使“墨汁”沾在鍍金的基體上，從而使烷基硫醇溶液與金發(fā)生反應，形成自組裝單分子層SAM，這時納米結構圖案就由PDMS模板轉移到了鍍金層上。硫醇與金反應后，常采用將其浸在氰化物溶液中的濕法刻蝕工藝，未被SAM層覆蓋的金遇到氰化物離子時會發(fā)生溶解，而被SAM覆蓋的金則能有效地被保留下來，進而實現納米結構圖案由鍍金層向襯底上的轉移[8]。微接觸印刷工藝廣泛應用于生物傳感器制造、微制造和表面性質研究等領域，正是由于其能輕松地控制印刷表面的化學物理性質，這也是與上述兩種納米壓印技術截然不同的技術。

圖3 微接觸納米壓印工藝流程示意圖

3.4 新型納米壓印技術

隨著技術的發(fā)展，為了彌補上述傳統(tǒng)壓印技術的不足，科研人員研發(fā)出一些新型的壓印技術，來完成納米結構圖案的制造。包括為了解決納米壓印中的熱循環(huán)問題所提出的溶劑輔助壓印技術；為解決納米壓印加熱過程影響效率的問題所提出的激光輔助直接壓印技術；為了解決多尺寸特征轉移受力不均的問題所提出的組合納米壓印技術；為克服不連續(xù)生產工藝過程所提出的滾軸式納米壓印技術。其他壓印技術還包括納米轉移印刷、逆壓印技術、超聲波輔助熔融納米壓印技術、光刻誘導自組裝印刷、靜電輔助壓印技術、氣壓輔助壓印技術、金屬薄膜直接壓印技術、彈性掩模版壓印技術等。

4 納米壓印技術面臨的挑戰(zhàn)

目前全世界已有多家納米壓印光刻設備提供商，盡管納米壓印技術從原理上避開了昂貴的投影鏡組和光學系統(tǒng)固有的物理限制，在圖形轉移方面有著其他技術不可比擬的優(yōu)勢，然而因其工藝特點，又衍生了許多關鍵的技術問題。與傳統(tǒng)的光刻技術不同，其采用物理接觸方法，需要采用等比例的壓印模板，因此，納米壓印技術面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是高分辨率納米結構圖案模板的制造，因其壓印出來的納米結構圖案的分辨率是直接由模板的分辨率決定的。另外，大多納米壓印技術都存在脫模這一工序，而模板和聚合物之間具有的較強粘附性，也對脫模后的壓印質量產生重大的影響。同時，由于在壓印過程中模板圖案結構腔內氣泡會產生轉移、阻蝕膠聚合物在脫模的過程中會產生粘連以及基體硅片表面粗糙度的影響，納米壓印最終得到的圖案質量也會變差[9]。另一方面，常在模板表面蒸鍍一層納米級厚度的抗黏附材料以使模板能輕松的完成脫模過程，但這種抗黏附材料在脫模過程中不免與固化后的聚合物圖形發(fā)生物理摩擦，成為縮短模板使用壽命的一個重要原因。

5 納米壓印的研究現狀及應用

納米壓印技術從1995年提出到現在已有二十五年，世界上各個科技先進的國家一直都在潛心研究這種納米級別的高分辨率、高效而經濟的圖形復制和轉移技術。在2020年COVID-19危機中，全球納米圖案的市場規(guī)模約為18億美元，目前全世界已有多家納米壓印光刻設備提供商（表1列舉了部分提供商信息），很多企業(yè)都投入大量的人力物力資源，這使得納米壓印高精尖設備的制造、納米光刻膠的進一步配制、納米結構圖案模板的高效制造得以更深的研發(fā)。國內也有很多科研單位從事納米壓印技術研究和應用，包括復旦大學、華中科技大學、上海交通大學、西安交通大學和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所、昇印光電（昆山）股份有限公司、蘇州光舵微納科技股份有限公司等。

表1 納米壓印光刻設備提供商信息

納米壓印技術正逐漸成為微納加工技術的一種重要方式，在集成電路領域，納米壓印可以用來制備場效應晶體管、NEMS納機電系統(tǒng)、納米級尺度和特定功能的電子器件、先進集成電路；在光學領域，納米壓印技術完成復雜圖案的成型是以周期性重復的方式，應用于3D結構光人臉識別、增強現實眼鏡波導光柵、晶元級微透鏡陣列加工等；在存儲領域，納米壓印技術是實現高分辨率功能尺寸的低成本解決方案的代表，可以應用于CD存儲器和磁存儲器；在生命科學領域，納米壓印技術在應對日益復雜的生物技術設備的挑戰(zhàn)同時也確保生物良好的相容性，可以應用于DNA電泳芯片、生物細胞培養(yǎng)膜。除此之外，納米壓印技術還可應用于能源、環(huán)保、國防等領域，能促進傳統(tǒng)產業(yè)的改造和升級，并形成基于納米技術的一系列新興產業(yè)。