三十而立：纳米压印从实验室的“大胆构想”全面迈向微纳制造产业

01引言：纳米压印的定位与挑战

纳米压印技术，更准确地应称之为纳米压印光刻（Nanoimprint Lithography，NIL）技术。它通过物理接触的压印方式在压印胶材料上直接形成纳米级图案，其成形的图案与传统光刻技术在光刻胶上所获得的图案功能一致，可作为掩模层，继而通过后续的刻蚀工艺，将图形精确地转移至硅、玻璃、金属或聚合物等目标衬底上，从而实现功能性微纳结构的制备与制造。

三十年来，纳米压印技术的产业化步履蹒跚，这并非纳米压印技术不够优秀，而是它对应的参照系——传统光刻技术已近乎极致与完美。在巨人的长影之下，纳米压印正以自己的节奏，进行着一场从边缘技术到产业核心的突围。

02技术起源：突破衍射极限的构想

20世纪90年代中期，当传统光刻技术面临百纳米分辨率瓶颈时，纳米压印技术应运而生。彼时在明尼苏达大学任教的周郁（Stephen Y. Chou）教授，凭借在光刻、电子束及X射线光刻领域的深厚积淀，开发出一系列高性能新型纳米晶体管与光子器件。他敏锐地意识到，受限于当时的光刻水平，这些新型器件很难实现商业化量产。他设想是否可以用机械模压的工艺来突破光学的衍射极限，尽管当时最先进的压印工艺仍局限于微米量级，远未触及纳米尺度的门槛，但在质疑声中，周郁教授毅然进行了大胆尝试。他设计并制作了一台简易的热压印装置，创造性地选用二氧化硅代替热膨胀系数较大的金属镍作为模具。最终，他成功在PMMA薄膜上实现了物理尺度小于10纳米的图案复制，并通过半导体刻蚀工艺将其精准转移至硅衬底。这一革命性的范式突破，为纳米制造开辟了全新路径。周郁教授将这项技术命名为“Nanoimprint Lithography”（纳米压印），开启了纳米压印技术的新纪元。周郁教授团队使用的第一台纳米压印机自2009年以来一直在德国博物馆展出（德国博物馆是世界上历史最悠久、规模最大的科学博物馆，其收藏了大量世界首创的科技成果）。

周郁教授关于纳米压印的早期成果先后发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）与《科学》（Science）杂志，在学术界激起了巨大波澜。由于传统的机械模塑工艺一向被认为仅能加工微米级结构，许多学者对这种能挑战光学极限，甚至超越电子束光刻分辨率的技术持有强烈的怀疑态度。

正如多数革命性创新在萌芽期所遭遇的境遇一样，纳米压印在诞生之初并未获得业界的广泛认可。尽管实验数据已展现出颠覆性的潜力，但追随者寥寥，绝大多数资深人士仍持观望或审慎态度。在技术问世后的最初四年间（1995–1998年），纳米压印几乎无人跟进，这一方面源于其底层范式的跨越性，另一方面也因实验门槛极高，阻碍了其他团队的参与。面对这一局面，周郁教授带领团队在“静默期”内持续深耕，发表了约20篇核心论文，不断刷新分辨率纪录，并率先将纳米压印应用于纳米晶体管、光子器件和磁性器件等领域。

此外，周郁教授团队并未止步于平板压印，而是开创性地发展了滚筒压印、气压及静电压印等多元化工艺，并同步研发了配套的纳米压印胶材料。这些扎实的底层研究最终打破了行业的观望僵局，在全球范围内吸引了大量的科研团队与产业巨头投入纳米压印技术的研发。

03工艺演进：从热压印到紫外光固化的工艺突破

在早期探索中发展的热压印等技术，奠定了纳米压印的基础，但其固有的技术瓶颈也日益凸显。热压印技术是以热塑型的高分子材料如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基础，通过加温使高分子材料软化，熔融，并通过外加压力，把模板上的纳米结构印制在熔融的高分子膜上，冷却成型。由于进行纳米压印时需要采用较高的压力（数10大气压），这种技术容易破坏模板上的纳米结构，不利于模板的重复、多次使用。同时，印制过程需要加热使高分子材料软化、熔融，由于模板、高分子材料及基板的热膨胀系数不同，加热与冷却过程中产生的应力也会造成纳米结构的缺陷，并破坏模板上的纳米结构。

为克服上述局限，紫外光固化纳米压印技术应运而生。紫外光固化纳米压印工艺采用了粘度低，流动性好的紫外光固化预聚物体系作为纳米压印材料，并把紫外光固化材料涂覆在基片上，当模板和紫外光固化预聚物接触后，不需要外界压力，利用液体特有的毛细现象，就可使紫外光固化材料很容易地注入模板的纳米结构内，并通过紫外光使其快速固化，由此实现纳米压印工艺在室温、低压力条件下的快速加工，更能满足规模化量产的应用需求。

关于紫外光固化纳米压印的早期研究工作，最早由飞利浦公司的一个课题组报道，对应研究成果以“Mold-assisted nanolithography: A process for reliable pattern replication”为题正式发表。他们用了滴胶的紫外光固化压印，但是没有提出图形的传递方案，按照当时他们的工艺，由于会形成过厚的胶膜，图形也是无法刻蚀传递的，也没有进一步的10纳米级图案的压印验证，因此他们的方法更接近已有的Nanoembossing, 而不是Lithography。

真正的技术突破发生于1999年前后，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的Grant Wilson教授（化学放大光刻胶Chemically Amplified Resist, CAR的主要发明人之一）等，基于紫外光固化工艺，将纳米压印技术与步进光刻技术相结合，首次提出了步进闪光压印光刻技术（Step and Flash Imprint Lithography, S-FIL）。这一技术也是后来佳能公司发布的、即将应用于半导体制造领域的纳米压印技术的原型。

如今，光刻领域普遍认为，如果没有20世纪80年代初化学放大光刻胶的发明，现代光刻技术可能无法发展到今天如此极致的水平。时至今日，化学放大光刻胶仍然是主流光刻技术中不可替代的关键材料，其重要性不言而喻。当读到那个关于IBM实验室外草坪除草剂差点让化学放大光刻胶这一伟大材料胎死腹中的神奇事迹时，不禁令人感慨万分。这一偶然事件几乎改变了整个半导体行业的发展轨迹。在IBM实验室中，研究团队发现新开发的光刻胶在显影后表面总会残留一层未能完全反应的薄膜，严重影响图形传递的精确性。经过反复排查，问题的根源竟指向实验室外草坪使用的除草剂——其挥发出的有机碱通过新风系统进入洁净间，中和了光刻胶曝光后产生的关键性质子酸，从而抑制了化学放大反应。在合作方急需合格光刻胶的压力下，研究团队没有放弃，通过对细节的极致追求和对问题的深入探索，最终锁定这一意想不到的污染源，成功解决了难题。这一突破不仅挽救了化学放大光刻胶的命运，也为其后续的广泛应用奠定了基础，成就了一代伟大的材料。

关于步进压印，不同于整片压印，步进压印通过逐 Die 分步压印完成整面晶圆的图案化。与传统光刻不同，纳米压印图形底部存在残余层。薄且均匀的残余层是刻蚀传递的基础，因此，在衬底上构建一层薄而均匀的初始胶膜，是优化残余层控制、实现高质量图案传递的关键前提。由于液体表面张力的作用，固体表面的液膜具有向液滴状收缩的自发倾向。利用常规旋涂（Spin-coating）工艺制备层厚极薄且性质稳定的低粘度紫外光固化（UV-curable）树脂薄膜，面临着严重的成膜稳定性挑战。

可能正是鉴于旋涂工艺的局限性，Wilson教授课题组转而采用滴胶方案（Dispensing）。以4英寸晶圆为例，若目标胶膜厚度为 100 nm，所需胶液总体积仅约为80微升。然而，将如此微量的液体压制成覆盖全晶圆的超薄膜极具挑战，尽管晶圆衬底表面具有原子级光滑度，但宏观上仍存在数微米至数十微米的平整度起伏（TTV/Warp）。在液滴受压铺展的过程中，这种起伏必然导致膜厚分布不均（如图所示），其不均匀性超出了图形刻蚀传递对残余层一致性的严苛要求。因此，常规的滴胶压印方案难以满足高性能刻蚀工艺的需求。

在滴胶方案难以达成理想成膜效果的情况下，Wilson教授课题组还曾尝试采用狭缝渗透成膜法（Slit-fill Method）。该工艺将模板与衬底叠放并预留特定间隙，利用毛细作用诱导胶液渗透至两者之间，试图通过调节间隙宽度来控制膜厚。然而，在实际操作中，将大面积缝隙精确稳定在百纳米量级极具挑战；加之晶圆表面微米级的起伏，导致膜厚的空间均匀性难以达到纳米级精度。此外，液体在百纳米级狭缝中的渗透阻力巨大，完成宏观尺度成膜所需的耗时过长，严重制约了工艺效率。随着高精度喷墨打印技术的飞速发展，实现高密度、皮升级（pL）液滴的精准喷涂已成为可能。随后，Wilson教授课题组创新性地将喷墨打印技术与步进压印工艺深度融合：在压印过程中，分布在衬底上的分立微滴受模板挤压，迅速铺展并交汇融合，形成连续且厚度高度均匀的薄膜。该工艺的显著优势在于实现了胶材的自适应按需分配——即根据模板局部图形的密度差异精确控制胶量，有效解决了传统旋涂工艺中材料利用率低、浪费严重的瓶颈问题。

尽管喷墨工艺具备按需分配的独特优势，但其对胶材的粘度、表面张力以及喷头性能有着较为苛刻的要求。相比之下，旋涂工艺在膜厚控制的精确性与工艺成熟度上仍具有无可比拟的优势，利用成熟的旋涂工艺获得紫外光固化胶液膜，依然是纳米压印中确保大面积膜厚一致性的最佳选择之一。

1999年周郁教授应邀赴普林斯顿大学执教，2002年他的研究组在调控了光固化材料与溶剂的粘度差、表面张力之后成功解决了低粘度材料的旋涂成膜稳定性难题。实验证明，粘度仅约 100 cP 的压印胶膜可保持数日而不发生收缩（Dewetting），膜厚可薄至10nm量级，并通过紫外光固化压印工艺实现了大面积晶圆级压印与压印纳米结构的刻蚀传递，为紫外光固化纳米压印的规模化应用提供了重要支撑。

04挑战极限：亚10纳米分辨率的实证

验证紫外光固化纳米压印工艺的极限分辨率，首先取决于是否拥有极限尺度的压印模板。为此，周郁教授研究团队采用分子束外延技术生长了多层层厚可精确控制的GaAs/Al0.7Ga0.3As 超晶格，通过解理获得平整截面后，利用稀氢氟酸对Al0.7Ga0.3As层进行选择性刻蚀，成功制备出 6 nm 半周期的光栅模板，并实现了该结构的紫外光固化压印。他们还采用了电子束光刻制备了5nm间距的电极结构模板，并通过紫外光固化纳米压印结合金属lift-off工艺，制备了间距只有5纳米的金电极。这些研究成果展现了极佳的前瞻性，即便时隔二十年，其在工艺极限上的表现依然领先于目前绝大多数研究团队。上述研究结果表明，该工艺完全能够满足当前 AR 眼镜中新兴的碳化硅（SiC）光波导的制造需求。尽管目前业内仍存在“纳米压印仅适用于低端高折射树脂波导的直接成型，而碳化硅光波导必须依赖 DUV 光刻技术量产”的观点，但基于上述的工艺，这一看法显然有待商榷。

目前，纳米压印技术所报道的最高分辨率是利用直径 2 nm 的碳纳米管作为模板，在聚合物材料上实现的 2 nm 沟道结构[8]；然而，这种随机分布的单线条结构在实际微纳制造中应用有限。在微纳加工领域，通常以制备具有超小线宽与周期的“嵌套 L 形结构”来验证工艺的极限分辨率。周郁教授的学生在 HP 实验室工作期间，利用聚焦氦离子束（HeIB）技术在氢倍半硅氧烷（HSQ）上制备了线宽 4 nm、周期 8 nm 的嵌套 L 形结构；以此为模板实现的纳米压印图形，是目前已知通过纳米压印制备出的最小线宽周期性结构[9]。

值得注意的是，这些具有超小分辨率的压印结构在 SEM（扫描电子显微镜）下的照片通常较为模糊，且伴随一定的变形。这主要是由于在 亚10nm的极端尺度下，成像质量已接近 SEM 的物理分辨率极限；同时，高能电子束辐照引起高分子材料构成的压印结构的局部变形、甚至塌缩。

05产业化突围：佳能的战略布局

据悉，早在2004年佳能公司就开始投资由Wilson教授创立的Molecular Imprints Inc. (MII)公司，合作开发用于半导体集成电路制造的步进纳米压印技术。在 21 世纪的前十年，由于浸没式光刻（Immersion Lithography）的巨大成功以及 EUV 技术的声势浩大，纳米压印技术（NIL）由于难以克服缺陷率和对准精度等挑战，几乎淡出了主流半导体制造领域的视野。在 ASML 猛攻浸没式光刻和 EUV 的十年间，佳能持续向 MII 投入资金与半导体精密机械技术，逐步将实验室技术转化为工业样机。在之后的很长一段时间里，纳米压印技术几乎淡出了半导体制造领域的视野。

2014年，佳能打破了这一僵局。佳能宣布全资收购了其投资长达十年的 Molecular Imprints Inc. (MII) 的半导体设备业务，并正式将其更名为 Canon Nanotechnologies。此次收购是纳米压印发展史上的里程碑：佳能不仅获得了 MII 积累的所有核心专利（尤其是 S-FIL 技术），还将其与佳能自有的步进光刻（Stepper）超精密对准系统、以及深耕半导体行业数十年积累的洁净室生产管理经验深度融合。此后，佳能开始逐步解决压印技术长期被集成电路领域诟病的缺陷、对准、模板寿命等关键问题。

2023年十月，佳能正式向全球先进制程市场发起挑战，宣布其制造的FPA-1200NZ2C压印设备已达到14nmDUV光刻机水准。2025年7月，佳能正式向媒体揭幕其位于宇都宫市的全新半导体制造设备工厂。这座总投资额高达5000亿日元（约合33.6亿美元）的工厂，是佳能自2004年以来、时隔21年新建的首个半导体设备生产基地，标志着这家老牌光刻巨头对全球半导体产业链的战略加码。全球首次量产纳米压印光刻（NIL）设备是其新工厂的核心业务之一。表明佳能正将技术赌注押在纳米压印技术用于半导体制造的范式变革上，或将给半导体制造带来新的技术途径与补充。同年底大日本印刷株式会社（DNP）宣布成功研发出一款线宽仅为 10 纳米（nm）的纳米压印（NIL）模板。该新型模板能够实现等效于 1.4nm 代际的逻辑半导体图案化，满足智能手机、数据中心以及 NAND 闪存等设备对尖端逻辑半导体微缩化的迫切需求。DNP 与佳能的联动，正让纳米压印技术加速进入主流半导体制造业。

06回顾与展望：站在巨人肩膀上的范式重构

对纳米压印技术的质疑与偏见自其诞生之日起便一直伴随。但是，随着佳能（Canon）近期密集发布一系列里程碑式的技术进展，国内原本对纳米压印的质疑声正逐渐趋于沉默。这种沉默背后是冷峻的现实：目前国内尚无任何一家光刻设备企业能够企及佳能即便在传统光学光刻领域所达到的深厚水准。许多集成电路产业的从业者往往忽略了一个深层事实：纳米压印技术并非异想天开的产物，而是站在巨人的肩膀上对传统制造范式的重构。

纳米压印发明人——周郁（Stephen Chou）教授：他在传统光学光刻、X射线光刻及电子束光刻领域均有深厚的学术造诣。更鲜为人知的是，周郁教授还是环栅晶体管（GAA）的发明人——这一架构正是目前全球最先进的3nm及以下芯片所采用的核心晶体管设计。作为改革开放后留美华人学者中最早当选美国工程院院士的泰斗之一，他获得这一殊荣时，其学术贡献清单甚至还未将纳米压印技术包含在内。

步进压印（S-FIL）发明人——Grant Willson 教授：他被誉为半导体材料界的教父，正是他发明了化学放大光刻胶（CAR）。没有化学放大光刻胶，当代深紫外（DUV）与极紫外（EUV）光刻技术将因感光效率低下而彻底停滞，可以说没有 Willson 教授，就没有今天微电子工业的辉煌。长期以来，纳米压印因其“接触式工艺”被贴上“与主流集成电路格格不入”的标签。然而吊诡之处在于，那些抱有偏见的人，绝大多数对集成电路底层原理的认知与贡献，根本无法企及这两位学术泰斗的高度。

结束语

三十年来，纳米压印技术已发展成为一项变革性的先进制造技术，它以极高的分辨率和经济性，跨越了存储、逻辑、光学及生物芯片等极其广泛的应用领域，该技术已经创造了数十亿美元的年收入，塑造了规模接近万亿美元的潜在市场，带来了深远的经济和社会价值。尽管前行之路仍面临诸多工程挑战，但随着纳米压印研发者和产业界的共同努力，它的发展步伐必将不断加快。相信在纳米压印技术迎来四十周年庆典之时，它一定会以更加强大的姿态，推动科技与产业的革新。期待璞璘科技也能为纳米压印的辉煌添砖加瓦，共同见证这一技术走向辉煌。

参考文献：

[1]Chou, Krauss, and Renstrom, APL, Vol. 67, 3114 (1995); Science, Vol. 272, 85 (1996)

[2]Liang X, Zhang W, Li M, et al. Electrostatic force-assisted nanoimprint lithography (EFAN)[J]. Nano Letters, 2005, 5(3): 527-530.

[3]Tan H, Gilbertson A, Chou S Y. Roller nanoimprint lithography[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 1998, 16(6): 3926-3928.

[4]Gao H, Tan H, Zhang W, et al. Air cushion press for excellent uniformity, high yield, and fast nanoimprint across a 100 mm field[J]. Nano Letters, 2006, 6(11): 2438-2441.

[5]Colburn M, Johnson S, Stewart M, et al. Step and flash imprint lithography: an alternative approach to high resolution patterning. Proc. SPIE, 1999, 3676: 379-389

[6]Appl. Phys. Lett. 84, 5299 (2004)

[7]Nanotechnology 16, 1058 (2005)

[8[[Nano Lett., 2004, 4: 2467]

[9][J. Vac. Sci. Technol. B 30(6), 06F304-1]

【下期预告】

栏目第二期《从压印到刻蚀：为什么需要"二次加工"？》即将精彩呈现！

核心议题：深入解析纳米压印的残余层现象及其对后续工艺的关键影响

技术聚焦：

• 残余层精准控制策略与需胶量计算模型

• 两种典型刻蚀路径：直接刻蚀vs Lift-off工艺

• 双层胶工艺的技术原理与优势分析

• 应用价值：揭示"浅压印+深刻蚀"的工艺智慧，突破高深宽比结构制造瓶颈

敬请关注下期深度技术解析，带您掌握纳米压印转刻蚀工艺的系统方法论！