纳米压印技术李学明摘要：纳米压印技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，具有分辨率高、低成本、高产率的特点。

自1995年提出以来，纳米压印已经经过了14年的发展，演变出了多种压印技术，广泛应用于半导体制造、mems、生物芯片、生物医学等领域。

被誉为十大改变人类的技术之一。

关键词：纳米压印纳米技术微米纳米加工技术Overview of Nanoimprint LithographyTechnologyLi XuemingAbstract: Nanoimprint lithography is a low cost and high throughput mass manufacturing technology with sub-10nm resolution, while many other technologies suffer serious drawbacks. It has been 14 years since Stephen Y Chou released this idea in 1995. There are lots of technologies derived from imprint lithography, and are popular in semiconductor manufacturing, mems, biomchip, biomedicine field. Nanoimprint has been high praised as one of the ten emerging technologies that will change the world.压印这门古老的技术，从几千年前就为我们的生活带来了便利。

古代帝王的玉玺、四大发明的活体印刷，甚至是我们的中秋美食月饼，都是压印技术的完美应用。

硅器时代，同样是压印技术，也正为微电子行业带来了新的惊喜。

在半导体技术的发展过程中，器件的特征尺寸越来越小，光刻也变得越发复杂，而这也导致了下一代光刻(NGL, next generation lithography）的成本不断增加。

要继续追求特征尺寸的缩小，就需要光刻中曝光波长的减小，而涉及到曝光波长的变化，就需要光刻工具的更替，这种更替需要的花费极其昂贵，对于许多公司来说都是望而止步。

因此，许多研究机构都在努力寻找可替代的光刻技术。

1995年，华裔科学家周郁（Stephen Chou）提出了纳米压印光刻（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。

纳米压印光刻技术具有加工原理简单，分辨率高，生产效率高，成本低等优点。

Electron beam光刻虽然有很高的分辨率，但是由于其工艺产率低，不适合大批量生产；X-ray光刻产率高，但是这种光刻的掩膜板和曝光系统非常复杂且昂贵。

而纳米压印采用1：1比例的模版生成线宽，不用考虑图形转移受到分辨率限制的问题。

鉴于这些优点，纳米压印技术已经被国际半导体技术蓝图机构（ITRS）收录纳入在16nm节点上。

MIT的Technology Review于2003年发布的10 EMERGING TECHNOLOGIES THAT WILL CHANGE THE WORLD中，纳米压印也榜上有名。

长期以来，NIL受到了普遍的关注与推动，越来越多的研究机构和商业机构都开始加入这一领域。

目前NIL主要的商业机构有：Nanonex Corp，由Stephen Chou于2000年创立，Molecular Imprint Inc（MII），该公司的技术由德克萨斯大学授权，另外还有奥地利的EV Group、德国SUSS MicroTec以及瑞典Obducat。

NANOIMPRINT LITHOGRAPHYNIL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。

FIG. 1. Schematic of nanoimprint lithography templates.Hot Embossing (HE)首先在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料（如PMMA）。

升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg（Glass transistion temperature）之上。

热塑性材料在高弹态下，黏度降低，流动性增强，随后将具有纳米尺度的模具压在上面，并施加适当的压力。

热塑性材料会填充模具中的空腔，在此过程中，热塑性材料的厚度应较模具的空腔高度要大，从而避免模具与衬底的直接接触而造成损伤。

模压过程结束后，温度降低使热塑性材料固化，因而能具有与模具的重合的图形。

随后移去模具，并进行各相异性刻蚀去除残留的聚合物。

接下来进行图形转移。

图形转移可以采用刻蚀或者剥离的方法。

刻蚀技术以热塑性材料为掩膜，对其下面的衬底进行各向异性刻蚀，从而得到相应的图形。

剥离工艺先在表面镀一层金属，然后用有机溶剂溶解掉聚合物，随之热塑性材料上的金属也将被剥离，从而在衬底上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。

热压方式最大的缺点在于模具在高温高压下，表面结构会或热塑性材料会有热膨胀作用，这将导致转移后图形尺寸的误差以及脱模的困难。

一般来说，特征尺寸越小，集成度越高，印章与聚合物之间的粘合力越大，使得脱模困难。

目前热压的重点方向在于如何提高大面积图形转印时的均匀性一集降低热变形效应。

目前这项技术的代表有Nanonex、Suss Microtec以及EVG等，其中Nanonex拥有专利最多。

FIG. 2. Schematic of nanoimprint lithography process: (1) imprinting using a mold to create a thickness contrast in a resist, (2) mold removal, and (3) pattern transfer using anisotropic etcing to remove residue resist inthe compressed areas.S-FIL (Step-Flash Imprint Lithography)为了改善热压印中热变形的缺点，特克萨斯大学的C. G. willson和S. v. Sreenivasan开发出步进-闪光压印（Step- Flash Imprint Lithography），这种工艺中采用对紫外透明的石英玻璃（硬模）或PDMS（软模），光阻胶采用低粘度，光固化的单体溶液。

先将低粘度的单体溶液滴在要压印的衬底上，结合微电子工艺，薄膜的淀积可以采用旋胶覆盖的方法，用很低的压力将模版压到晶圆上，使液态分散开并填充模版中的空腔。

透过模具的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。

最后刻蚀残留层和进行图形转移，得到高深宽比的结构。

最后的脱模和图形转移过程同热压工艺类似。

相对S-FIL工艺过程在低压和室温下进行，相对于热压印来说，不需要高温、高压的条件，可以廉价地在纳米尺度得到高分辨率的图形，步进-闪光压印使工艺和工具成本明显下降，且在其他方面和光学光刻质量相当。

然而这种工艺中，由于光刻胶的涂布过程中，没有经过加热的步骤，无法有效排除其中的气泡，在紫外曝光后会产生缺陷。

目前这项技术的代表有Molecular Imprint Inc，Obduct、EV Group以及Suss Microtec。

Fig. 3 Process Schematic for step and flash imprint lithographyuCP (Micro Contact Transfer Printing)：uCP技术由IBM和哈佛大学所提出，这种工艺与盖章的概念最为相近。

这种工艺采用弹性的印章将硫醇转移到镀金或银的表面上去。

将PDMS倒在包含图形的模具上，过程中模具可由光学或电子束光刻获得，也可以通过衍射栅、微机械结构一集其他微型结构的复制得到。

印章材料的化学前体在模具中固化，聚合成型后从模板中脱离，得到所需印章。

通常印章的材料为PDMS。

然后将PDMS印章与滴了墨的衬底上，墨溶液主要为硫醇。

将印章与衬底接触并浸没在墨溶液中，让印章充分沾上“墨汁”。

随后将浸有“墨汁”的印章盖在镀金的衬底上，墨汁会沾在镀金衬底上，衬底可为玻璃、硅、聚合物等材料。

只有与印章接触过的表面才能沾上硫醇溶液，硫醇会与金发生反应，形成自组装单分子层SAM。

硫醇分子会吸附有机分子，从而实现自组装。

另外，硫醇与金反应后，还可以采用湿法刻蚀的方法，如在氰化物溶液中，氰化物的离子促使未被SAM层覆盖的金溶解，而SAM能有效阻挡氰化物的离子，将被覆盖的金保留，即可实现图形转移。

uCP工艺不需要极为苛刻的实验环境，而且对表面平坦化也没有要求，相比光学光刻而言，更加方便和经济。

Figure 4. Schematic representation of microcontact transfer printing of a zeolite L-oriented monolayer from a glass (donor) surface to conductive (acceptor) surfaces.上述三种工艺为主流的三大纳米压印技术，主要特征比较如表一所示：表一纳米压印主流技术特征比较对于制造商来说，具体选择哪种工艺取决于其用途。

热压适合与光学或mems，而不是半导体制造中的应用。

热压需要衬底表面温度均匀，其成膜过程中使用的聚合物粘度高，为使聚合物在表面上均匀流动需要较高的压力，这种压力可能会导致晶片的变形；另外，热压工艺中需要加热和降温的循环过程，对于厚晶片来说进行图形转移非常耗时。

现在热压的研究方向正朝着低温方向发展。

UV-NIL具有步进图形转移功能，更适合于32nm及一下工艺的半导体制造。

低粘度聚合单体更加容易在结构复杂、线宽很小的表面上均匀流动。

所需相应压力也较低，可以大大减小晶片变形的几率和程度。

UV-NIL并不能直接将图形从模版转移到晶片，而是先将图形转移到转移层然后通过刻蚀反应在晶片上形成相应的图形。

其工艺过程与光刻非常相似。

图形转移层（抗刻蚀层）的纵宽比要求并不高（通常为2:1），因此可以尽可能减小抗刻蚀层的厚度。

MII的资料显示，通过后续刻蚀反应，纵宽比可以达到10:1。

uCP最有可能应用于生物医学，例如生物芯片。