纳米压印技术的加工保真度

01引子：“完美模板”的神话与被误解的“保真度”

佳能（Canon）自2019年发布纳米压印光刻技术在先进制程集成电路的重大突破后，国内诸多相关厂商开始对纳米压印技术产生极大的兴趣，并开始进行相关的探索工作。但在纳米压印（Nanoimprint Lithography, NIL,）的产业化推广中，时常遇到一些来自业界的怀疑的声音。一个较为典型场景：客户使用高端光刻的方式（如：浸没式DUV/EUV光刻技术）制造纳米压印的模板，并提供模板关键尺寸理论值为：高度误差＜5nm，底部关键尺寸（Critical Dimension, CD）误差＜1nm。在经过纳米压印工艺复制后对压印的样品进行表征，关键尺寸结构与模板参数相差超过10%，从而对纳米压印技术的保真度表示怀疑。但事实真的如此吗？

璞璘科技与下游厂商合作，该厂商提供不同批次、相同结构的模板（基于先进光刻工艺）开展纳米压印工艺研发，在进行纳米压印工艺前我们对提供的不同批次、相同结构的两块模板进行了表征。从表征结果上看，不同批次模板的同类结构本身就具备较大的结构差异。第一次压印模板的表面平滑，结构周围有一些颗粒状的缺陷，经过复制工作模板，及二次压印，模板结构被完整复刻在衬底上，包括颗粒状的缺陷；第二次压印模板的结构，缺陷在压印时也同样被复现在了压印的结构上，因此可以看出纳米压印技术在高保真复制结构的同时，也“完美”地复刻了模板在光刻、刻蚀阶段留下的所有缺陷。这些结果值得深思！

02对比前提：初始模板（Master Mold）结构的一致性与重复性

评估纳米压印保真度的首要前提，必须首先评估源头压印模板结构的重复性与一致性：批次间重复性确保不同批次生产的模板在几何形貌上具有高度再现性；结构一致性，尤其是在大面积压印中，单体模板内各区域 CD 的分布偏差必须被定量掌握。目前，业界认为高端光刻具有“天然的完美性”，如：光刻+刻蚀后的微观结构CD 一致性误差＜ 1 nm。这种观点忽视了这些由光刻工艺制备的模板本身所具有的物理局限性：光学限制，曝光场的不均匀性、光强分布波动及焦深（Depth of Focus, DOF）带来的误差；工艺漂移，光刻胶的分辨率极限、显影过程中的扩散效应，以及图形在刻蚀传递过程中的尺寸漂移等。反观纳米压印，属于机械模压工艺，只要模板的形貌参数确定，对其保真度的影响就只是压印过程中压印材料的收缩或膨胀，以及脱模工程中可能导致的结构变形，其影响因素远远少于光刻、电子束曝光等技术。

更关键的是，纳米压印本质上是三维结构的复制工艺。行业内对图案一致性的讨论常局限于二维平面，而忽略了图形高宽比（Aspect Ratio）、侧壁粗糙度（Sidewall Roughness, SWR）及侧壁坡度（Slope）在三维维度的一致性。一旦模板结构出现“倒梯形”（截面上小下大）等形貌偏差，将在脱模阶段引发灾难性的结构撕裂或模具损坏，彻底丧失加工保真度。

传统的SEM、FIB截面观测通常是破坏性的，这意味着一旦对模板进行切片测量，该模板即宣告报废。由于光刻工艺制备的模板每一片在结构深度和线宽上都可能存在差异，导致这种“抽样破坏性测量”的结果并不能代表其余压印模板的真实形貌。换言之，牺牲掉的模板测量值，并不能为存续使用的模板提供百分之百的保真基准。

反而是纳米压印技术为解决这一测量难题提供了极具可行性的途径。由于纳米压印具有极高的形貌复刻能力（Fidelity），它实际上充当了模板结构的“高保真倒模”。通过对压印后的聚合物样品进行截面切片与测量，我们可以通过镜像映射的方式，非破坏性地反推模板的三维结构，或通过压印复制高分子模板并再次压印获得与模板完全一致的结构来进行比较，如同DNA的亲子鉴定。这种方法具有双重优势：保护昂贵模板，无需损毁光刻制备的昂贵模板即可获取其深度、侧壁坡度及底部轮廓信息；全流程验证，可以监测不同批次模板的一致性。

因此，与其盲目自信模板与生俱来的完美，不如利用纳米压印的精准复刻特性，建立一套“压印反馈——模板反演”的保真度评估体系。这不仅是技术手段的创新，更是对传统半导体工艺质量监控逻辑的一种优化。

03先进光刻与纳米压印保真度对比

首先，本文对先进光刻技术制备的光刻胶样品的SEM 图像进行了分析。IMEC 研究表明，在光刻曝光过程中，光线穿过光学系统与掩模版时产生的衍射效应会导致图形畸变，降低图像保真度，进而使晶圆上的实际结构出现线宽不一等不规则现象，损害边缘放置完整性（Edge Placement Integrity, EPI）与分辨率。尽管IC 设计者习惯采用规则的矩形“曼哈顿”布局，但由于掩模写入设备（电子束曝光）及光刻系统分别对电子束和光线具有低通滤波效应，导致直角特征在图形转移过程中不可避免地发生变形，演变为弧形结构。如图集所示，最终在晶圆上加工出的图形与掩模版及设计原稿之间存在显著差异，远未达到局部关键尺寸均匀性（Local CD Uniformity, LCDU）小于1nm、保真度（一致性）大于 99% 的严苛技术指标。

在IMEC 与 ASML 合作发布的最新高数值孔径（0.55 NA）EUV 光刻结果中，双方成功实现了 13nm 间距（Pitch）的端对端（Tip-to-Tip, T2T）结构制备。这一成果展现了极高的图形保真度，其局部关键尺寸均匀性（LCDU）成功控制在 3nm 以下，达到了预期目标。然而，其实验数据表明，最终经EUV光刻加工的样品与设计图形，以及同类结构之间仍存在显著差异，同时也可以看出结构的边缘还是有一定的粗糙度。若按关键尺寸（CD）≤13nm、局部关键尺寸均匀性（LCDU）≤3nm进行估算，其保真度仅为75%左右。若将此类晶圆用作压印模板，且在评估压印结果时未能确保测量位点与模板结构严格对应，则极有可能导致测量结果进一步偏离真实值，从而误导对纳米压印真实保真度的评价。

纳米压印作为模压工艺，其保真度的影响因素（如材料胀缩、脱模形变）远小于光刻或电子束曝光。自该技术产生 30 多年以来，无论是先驱学者还是正在推进产业化的佳能公司，均未发现过某些客户所述的严重保真度崩坏问题。

接下来，我们分析佳能纳米压印（NIL）生态合作伙伴的工艺成果。实验所用压印模板由日本 DNP（大日本印刷）公司利用电子束曝光（EBL）技术制备（https://www.global.dnp/en/biz/solution/semiconductors/10162425/）。其中，14nm 半节距（Half-pitch）线栅掩模在加工过程中引入了自对准双重图形（SADP）工艺。SEM 与 TEM 表征结果显示：14nm 线条边缘存在一定的粗糙度并伴有扭曲变形，且线栅槽底呈弧形（一般认为刻蚀结构通常为平底）；还可以观察到线栅占空比、高度以及纳米孔/柱阵列直径的非均匀性。铠侠（Kioxia）采用该模板在佳能设备上进行了压印与刻蚀工艺验证（https://www.kioxia.com/en-jp/rd/technology/topics/topics-13.html）。尽管在压印胶结构的俯视与截面 SEM 图中，仍可观察到线条扭曲、粗糙及一定程度的倾斜，且线栅顶端受模板槽底形貌影响呈弧形，但统计数据显示：其 CD 均匀性标准偏差（3σ）小于 0.4nm，线宽粗糙度（LWR）小于 2.7nm。如此优异的 CD 均匀性数据，推测是扣除了模板原始误差后的计算结果。综合来看，线宽粗糙度等缺陷主要源于模板质量，这反而印证了该纳米压印工艺具有极高的图形转移保真度（Fidelity）。此外，刻蚀后硅晶圆结构的 SEM 截面图显示线栅整体向一侧倾斜，这大概率是由切片观测角度偏差导致的视觉假象。

佳能的纳米压印技术具有极高的保真度，是不是璞璘的压印技术不足够好，从而造成了客户反馈的压印技术保真度低的问题？璞璘科技技术研发人员在二十多年前就做出了线栅半节距低至6nm的紫外光固化纳米压印工作。电子束曝光技术已经无法胜任更小结构模板的制备了，因此超小结构模板的难题是通过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 超晶格薄膜，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 线宽的线栅结构，并以此为模板，通过紫外光固化压印工艺实现了压印胶结构的复制。从 SEM 俯视图对比来看，尽管该结构尺寸比目前佳能技术制备的结构更小，但在形貌规整度、线条扭曲以及线宽粗糙度等指标上，表现均优于佳能披露的结果[1]。

2012年，合作伙伴在惠普（HP）实验室利用聚焦氦离子束（He-FIB）技术，在氢倍半硅氧烷（Hydrogen Silsesquioxane, HSQ）电子束光刻胶上成功制备了半节距（Half-pitch）仅为 4 nm 的线栅结构。以此为模板，采用相同的压印胶材料与紫外光固化工艺实现了结构复制，这也是目前已知通过纳米压印制备出的最小线宽周期性结构[2]。值得注意的是，在扫描电子显微镜（SEM）观测下，压印后的线栅结构相较于原始模板显现出更高的模糊度与形貌扭曲。虽然这可能被归因于压印保真度的不足，但更深层的原因在于：SEM 测量时的高能电子束对超小尺寸压印胶结构造成了破坏。这一现象引出了纳米制造领域另一个核心挑战：如何实现对超小尺度压印结构的无损、准确测量，目前的SEM测量技术已达到极限，必须协同发展与光刻、压印技术相匹配的测量技术。

04测量误差带来的“伪”保真度衰减

在微观三维形貌表征领域，扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）是目前应用最广的两种检测手段，它们实际应用中各存短板。SEM 在表征压印形貌时存在显著的‘破坏性’：一方面，不导电样品表面的金属蒸镀层会人为增加纳米结构的 CD（线宽）数值；另一方面，高能电子束辐射导致有机聚合物样品扭曲、变形，例如光刻胶结构；三维截面观测还会给样品造成不可回复的破坏，使得观察到的形貌往往是受损后的状态。而AFM则受限于探针几何效应，特别是对于高深宽比的沟槽结构，如果沟槽宽度小于针尖直径，针尖无法下沉至底部，会产生 “横向变宽、深度变浅”的假象，造成样品形貌畸变。这种因检测手段导致的形貌改变，进一步加剧了保真度评估的复杂性，遗憾的是很多测量者想当然的认为他们所使用的仪器能够原封不动的还原样品的本来面目。

我们对相同的压印胶结构的样品，采用相同的加速电压（5 kV）和工作距离（3.5 mm），不同的连续扫描速度等级（5、20 和 35，分别对应 0.3 µs、3 µs 和 30 µs 的像素驻留时间），进行了SEM观测。利用母模（线宽约 220 nm，高度 340 nm，周期 550 nm）二次复制出的压印胶光栅结构，在电子剂量增加时表现出单调的尺寸缩减：线宽从 220 nm 减小至 205 nm；高度从 340 nm 减小至 325 nm；分别导致了 6.8% 的横向收缩和 4.4% 的纵向收缩，而周期基本没有发生变化。纳米柱阵列的高度从 360 nm 降至 335 nm（约 6.9%）。因此SEM成像时电子束造成的结构变形、破坏被认为的归因于纳米压印的保真度degraded。研究发现，当扫描时间缩短至约 300 ns 时，仍可获得高清晰度图像，且测得的特征尺寸与模具保持一致，表明在优化的 SEM 条件下，成像伪影的影响可以显著降低。

当模板的CD均匀性足够好，线边缘粗糙度足够小时，我们的压印也获得了与模板线边缘粗糙度精度值相比，误差<0.5nm的结果。

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【1】Appl. Phys. Lett. 84, 5299 (2004)

【2】J. Vac. Sci. Technol. B 30(6), 06F304-1