纳米压印30年：发展、趋势和前景

摘要

2025年是纳米压印光刻（NIL）诞生30周年。自1995年发明以来，经过全球过去三十年的努力，纳米压印已成为深纳米尺度硅（Si）电子学中极紫外（EUV）光刻的主要替代技术。众多半导体公司已认可NIL的制造质量，并正在积极评估其用于生产最先进半导体器件的可行性。纳米压印的潜力不仅限于硅芯片制造和晶圆级应用。凭借其高吞吐量和三维（3D）图形化能力，NIL正成为制造新兴器件（如平面光学器件和增强现实眼镜）的关键技术。本综述总结了纳米压印光刻的关键发展和应用，特别关注纳米硅器件制造和纳米光子学应用领域的最新工业进展。

关键词：纳米压印，制造，大批量生产，半导体

1. 引言

纳米压印光刻（NIL）最初由周郁（Stephen Chou）等人提出，旨在为广泛的高分辨率纳米图形化应用提供一种经济高效的解决方案，例如制造纳米级单畴磁体。在其开创性工作中，周郁使用具有25纳米特征尺寸的图案化硬模具，在高温下机械压印涂有薄PMMA层的基板。该过程首次证明，机械模塑可以可靠地生产纳米尺度的特征，其尺寸比之前认为塑料模塑可能达到的小几个数量级。这一突破从根本上挑战了当时关于机械图形化局限性的普遍假设。这项早期工作的另一个关键发现是，模具的凸起部分几乎可以排挤掉所有的聚合物抗蚀剂，导致近乎零的残留层厚度。这一现象对于实现高分辨率纳米结构至关重要。

继这些基础性进展之后，周郁的团队进行了一系列全面的研究，为NIL的发展和产业化奠定了基础。关键贡献包括：证明了金属接触结构的亚10纳米压印分辨率；确定了关键工艺参数，特别是模具-抗蚀剂界面；表征了大规模生产的模具耐用性和图案保真度；探索了NIL的独特特性，如在非平面表面上压印、直接3D图形化和多层结构制造；开发了新的NIL系统，如基于辊筒的压印机；并建立了第一家专注于NIL的商业企业。周郁的团队还展示了广泛的NIL应用，包括高存储磁盘、首批硅纳米电子器件、亚波长光学元件、有机薄膜晶体管和纳米流体器件，充分展示了NIL的多功能性和变革潜力。

后来，Haisma等人（模具光刻）和Colburn等人（步进闪光压印）分别开发了紫外纳米压印光刻技术（UV-NIL），采用略有不同的实施方法，并解决了热压印的高温要求。1998年，提出了基于辊筒的NIL以减少所需压力并实现均匀压印。这项工作启发了后来用于连续纳米图形化的高通量、低成本解决方案的开发。在1999年和2000年，Lebib等人和Heidari等人分别展示了在4英寸和6英寸晶圆级上实现亚100纳米分辨率的大面积图形化能力。2003年，纳米压印技术首次被国际半导体技术路线图（ITRS）选用于32纳米及以下技术节点的图形化。2004年，Molecular Imprint Inc.推出了首批步进重复式纳米压印工具，通过使用小尺寸印章在逐场（field-to-field）基础上对整个晶圆进行图形化。这一理念后来被用于制造和复制大型工作模板，以降低模具成本。复合模具策略也在2000年代发展起来。它包含一个由柔性或软性中间层以及背衬基板支撑的刚性图案层，以确保在整个压印区域实现保形接触。采用这种设计，可以同时实现低缺陷率和高保真度的亚50纳米分辨率压印。因此，复合模具方法已被广泛用于目标分辨率适中且要求高质量的压印工艺。2023年，佳能（Canon）推出了首款满足行业严苛要求的半导体级纳米压印工具，将纳米压印光刻推向了一个新时代。

随着NIL技术的成熟，已展示出多种应用。一些硬盘公司应用NIL概念开发图案化磁性纳米结构，通过创建具有小特征尺寸（<20 nm）和紧密间距（<30 nm）的磁性纳米结构，将磁盘密度扩展到1 Tb/in²以上。2002年，利用NIL制造了高分辨率聚合物OLED。自2010年以来，NIL也被用于制造晶圆级微光学器件，以大批量生产用于移动设备应用的紧凑型光学模块。其高通量和大面积特性也用于显示器或面板尺寸的纳米图形化应用。它还广泛用于微流体器件和生物医学应用的研究。随着2020年后新一代基因测序、增强现实、平面光学、半导体器件等新应用的出现，NIL终于找到了其用武之地。这些新应用要求技术具有高分辨率、大面积和严格的工艺控制，这完美契合了NIL的优势，使得NIL不可或缺。预计这些应用在未来几年将保持高增长率，并最终受益于NIL的发展。

在本综述中，我们将首先介绍纳米压印光刻的基本要素，并指出过去30年NIL的关键创新。我们将讨论纳米压印长期存在的问题以及应对挑战的通用解决方案。在第二部分，我们将重点关注NIL在工业制造中的当前应用，并提供实例和制造标准。最后一部分将讨论学术研究领域的当前趋势和方向。本文旨在回顾NIL的技术进步，重点关注较新的发展，尤其是来自工业界的发展。这些代表了作者的观点，无意报告NIL的历史。读者可参考之前发表的许多优秀综述。

1.1 NIL的基本类型1.1.1 热纳米压印 (T-NIL)

热纳米压印是第一种纳米压印光刻技术。热压印的工作原理如图1(a)所示。首先，制作一个具有最终结构反色调图案的模具。许多类型的热塑性材料，如聚苯乙烯、PMMA和聚碳酸酯，可用作NIL抗蚀剂。将抗蚀剂旋涂到基板上后，在高于抗蚀剂玻璃化转变温度（Tg）50–80°C的温度下，将模具压入抗蚀剂材料中几分钟，使高粘性聚合物流动并填充模具和基板之间的空隙。然后，冷却基板并将其与主模具分离。

图1：基本的纳米压印光刻的印刷类型。(a) 由Chou开发的热纳米压印。(b) 由Willson开发的紫外线压印/步进闪光压印。图像转载自参考文献35。

理论上，只要材料能够在合理温度和压力下加热到具有足够流动性的玻璃态，就可以使用热纳米压印光刻进行图形化。其直接好处是可以在广泛可用的材料上以极低的成本制作纳米结构，使用户能够通过将不同功能材料结合到纳米结构中来获得多种功能。它还允许在单一步骤中直接模塑集成光子器件，例如压印聚合物微环谐振器。热纳米压印也可用于直接图形化材料片材，如热塑性塑料和纳米纤维素薄膜，无需额外涂覆压印抗蚀剂层。

尽管热塑性塑料在T-NIL的高温和高压下变得可流动，但聚合物的粘度通常仍然很高，导致压印时间延长。此外，这些热塑性抗蚀剂容易粘在模具上，严重影响图案定义的保真度和质量。可以在抗蚀剂配方中加入表面活性剂以便于脱模。

1.1.2 紫外纳米压印 (UV-NIL)

在首次展示热NIL之后不久，紫外NIL（UV-NIL）工艺被开发出来，它使用光固化树脂代替热塑性材料，以避免高温加热过程。整个过程如图1(b)所示。紫外纳米压印首先在基板上涂覆/滴加紫外固化前体树脂，然后在压力下压入模具。由于紫外树脂本质上是类流体的，压印可在环境温度下进行，从而提高了工艺吞吐量。施加压力足够时间以迫使抗蚀剂流入模具上的空隙后，紫外光触发紫外抗蚀剂交联形成稳定的纳米结构。最后，模具和压印基板分离。低压印温度特性也使得UV-NIL可以在其他基板（如塑料薄膜）上实施。然而，树脂的紫外收缩是可能导致图案变形和脱模困难的问题之一。

1.2 NIL模具

NIL生产压印模具的复制品，包括模具上图案的边缘粗糙度。因此，主模具必须使用高分辨率技术制造以确保其质量。蚀刻图案表面的粗糙度可能增加模具和抗蚀剂之间的摩擦力，导致脱模过程中图案破裂。通常，强感应耦合等离子体（ICP）功率和具有扇贝结构（scallop structures）的博世（Bosch）工艺会显著导致粗糙度，应避免使用。

设计模具图案时，需要考虑布局效应。尽管纳米压印光刻不受光学衍射限制，但最终的压印质量仍会受到图案布局的影响。负载效应或高深宽比结构可能导致抗蚀剂不均匀问题和空洞缺陷。已有多种技术致力于解决这些问题，例如喷墨分配。模具的低表面能对于脱模过程中的图案保真度也至关重要。抗蚀剂可能粘在模具上并导致永久性缺陷问题。可以通过溶剂或蒸汽孵育涂覆氟硅烷基自组装单层来降低表面能。

1.2.1 硬模具NIL

根据模具刚度，NIL模具通常可分为两大类：硬模具和软模具，适用于不同的应用。硬模具材料通常是具有高杨氏模量的硅、介电材料和金属。硬模具的高韧性和高强度可防止模具在高压压印过程中变形。大多数高分辨率应用，如半导体器件压印，都使用这种方法来实现更高的图案保真度。图2(a)显示，使用硬模具NIL忠实地压印了亚10纳米接触孔，并通过金属蒸发和抗蚀剂剥离工艺形成了金接触。

另一方面，硬模具压印可能带来一些挑战性问题。首先，基板/模具的厚度变化可能导致压力不均匀，引起压印缺陷甚至模具/晶圆破裂。在这种情况下，使用加压空气进行压印对于确保压力均匀尤为重要。其次，提供模具和基板之间的保形接触很困难。颗粒、非平坦或非平行表面，甚至支撑板之间滞留的空气的存在都可能导致非保形接触，从而产生压印缺陷。

图2：NIL 中不同类型的模具。（a） 硬模用于高分辨率图案化。（b）柔性复合模具可用于在曲面上压印。（a-i）印记过程。（a-ii）柔性复合模具。（a-iii）光纤上的压印光栅结构。（c）基板保形纳米压印光刻技术利用复合模具可以提供高分辨率的保形压印。（c-i）复合模具。（c-ii）颗粒污染物上的保形印记。图片 （a） 转载自参考文献 5，（b） 来自参考文献 25，（c） 来自参考文献 24。

1.2.2 复合模具NIL

软NIL被开发出来以规避硬模具NIL的缺点，同时略微牺牲图案保真度。软纳米压印使用高柔韧性材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和全氟聚醚（PFPE），作为压印模具。高柔韧性和低表面能的特性使模具能够在存在颗粒或残留污染物时轻微变形，从而提供更好的模具与基板接触。由于这些优点，软NIL可以在限制较少的条件下轻松实施。它比硬模具NIL具有更高的灰尘容忍度。此外，由于其柔韧特性，软NIL可以集成到基于辊筒的压印系统中用于高通量应用。软NIL的另一个重要特性是它可以应用于曲面以扩展其适用性，这是传统NIL无法实现或通过光刻难以实现的。

使用软模具进行图形化的一个重大挑战是压印过程中的模具变形，这限制了可实现的图形分辨率、深宽比和图案密度。这个问题可以通过复合模具策略来缓解，该策略将具有表面浮雕结构的薄高模量材料（如聚氨酯丙烯酸酯树脂或高模量PDMS）嫁接到低模量材料和柔性载体（如常规PDMS、薄玻璃或PET薄膜）的顶部。该策略结合了刚性模具NIL的高分辨率特性（源自高韧性图案层）以及柔软柔性印章基板的保形特性。如图2(b)所示，由刚性特征和柔性PDMS支撑组成的复合模具可以在平坦基板上成功实现亚15纳米分辨率，并在直径125 μm的单模光纤圆柱面上忠实地复制出200纳米周期的光栅结构。复合模具的另一种实现是所谓的基板保形压印光刻（SCIL），其中在刚性纳米图案层和刚性支撑板之间形成可变形缓冲层，提供面外柔性，同时保持面内刚度以保持图案保真度和对准精度。图2(c)表明，即使存在灰尘颗粒，使用这种SCIL方法仍可实现高质量、高分辨率的图形化。复合模具策略广泛用于高通量和大规模应用，如晶圆级压印和辊筒压印。复合模具策略已成为现代纳米压印技术的标准解决方案之一。

1.2.3 工作印章

NIL的主要关注点是压印模具的高成本及其有限的使用寿命。通过电子束（E-beam）写入制造巨大的300毫米晶圆尺寸模具成本高昂且不切实际。此外，由于模具直接与抗蚀剂和基板相互作用，它们容易损坏。作为NIL系统中最昂贵的元素，模具寿命短会显著增加拥有成本（CoO），并可能引发对工艺质量的担忧。

为了解决这些问题，开发了工作印章（working stamp）策略，即从主模具复制一个工作印章，并用其执行实际的压印。通过使用电子束写入制备厘米级主模具，并在大型基板上进行步进重复压印，可以复制出晶圆级甚至更大面板尺寸的大型工作印章。

工作印章方法还可以延长主模具的使用寿命以进一步降低成本。在大多数情况下，主模具在显著退化之前只能执行数百次压印。然而，通过使用工作模板，主模具的寿命可以延长几个数量级。例如，在半导体制造中，电子束主模具可以制作 >100 个复制品，每个复制品可以图形化 >1000 片晶圆，相当于主模板寿命 >100,000 片晶圆，接近传统光刻中掩模版的寿命。在超透镜（metalens）应用中，使用工作印章也将主模具的寿命延长了15-20倍，允许使用一个主模具制造 >10,000 片复制晶圆。工作印章的理念现已在学术界和工业界广泛采用，甚至用于最先进的工艺。针对不同应用，已开发出各种工作印章，如软工作印章、硬工作印章、大尺寸工作印章和水溶性工作印章。已生产出用于工作模具复制的专用工具。

1.2.4 NIL模具的最新进展

除了上述模具外，其他几种类型的模具——如超高分辨率压印模具、高耐用性工作印章和天然模具——也正在积极开发中。通常，这些模具上的特征尺寸必须与所需图案尺寸匹配，这使得制造具有超精细结构的模具特别具有挑战性。然而，研究表明，特殊处理（如热处理或机械压制）可以有效减小压印模具上的特征尺寸，从而能够生成更小的结构。例如，Pina-Hernandez证明，通过使用倍半硅氧烷（silsesquioxane）压印抗蚀剂材料，经过两个收缩循环后，压印特征尺寸可以从55纳米减小到10纳米。

上述大多数工作印章由聚合物材料制成。虽然它们具有高柔韧性，但其低熔点和低模量限制了它们在T-NIL中的适用性并导致耐久性问题。为了克服这一限制，通过压印混合有纳米颗粒（如ZrO₂和TiO₂）的紫外固化树脂，然后进行退火，开发了耐用的晶态工作模板。这些硬模具在超过100,000次模塑循环中表现出高图案保真度，没有分层或破损。

除了人工制作压印模板外，模具也可以由天然纳米结构（如蝉翼和胶原纤维）制成，以低成本制造仿生结构。这些仿生图案已被证明在防止细菌粘附、增强细胞耦合和支持组织工程应用方面是有效的。

1.3 NIL抗蚀剂

纳米压印抗蚀剂是NIL的另一个关键元素，它直接与模具相互作用并在纳米尺度上被图形化。根据功能，压印抗蚀剂可用作反应离子刻蚀（RIE）掩模，将图案转移到下层（NIL + RIE方法），或直接用作产品的功能结构（直接NIL方法），如聚合物微透镜和光栅，如图3(a)所示。当用作刻蚀掩模时，需要优异的刻蚀特性以实现更好的图案转移。残留层厚度控制和灰化（ashing）完全性也很关键。当直接用作最终器件的一部分时，压印抗蚀剂的特性（包括折射率、导电性和光学透明度）将直接影响最终结构的功能。

图3：纳米压印光刻（NIL）中的压印抗蚀剂。(a-i) 作为蚀刻掩模的压印抗蚀剂（纳米压印光刻 + 反应离子刻蚀）。(a-ii) 作为功能结构的压印抗蚀剂（直接纳米压印光刻）。(b-i) 通过直接纳米压印光刻制备的聚合物微环谐振器（MRR）。(b-ii) 通过大马士革纳米压印光刻工艺制备的聚合物微环谐振器。(c) 使用由不同比例的溶胶 - 凝胶溶液和纳米颗粒组成的无机抗蚀剂，通过纳米压印光刻制备的纳米光栅图像。(d) 不同类型的抗蚀剂涂覆方法。图 (a-i) 转载自参考文献 86，(a-ii) 转载自参考文献 70，(b-i) 转载自参考文献 76，(b-ii) 转载自参考文献 54，(c) 转载自参考文献 81，(d) 转载自参考文献 85。

为了实现高质量的压印，需要考虑几个因素。首先，NIL抗蚀剂应在施加压力下高度可变形，并具有足够的机械强度和良好的脱模性能。其次，抗蚀剂与基板之间的粘附力必须大于抗蚀剂与模具之间的摩擦力。在这方面，有时需要涂覆增粘剂（adhesive promotion coating）以在抗蚀剂和所需基板之间形成稳定的结合。压印抗蚀剂被认为是压印系统最关键的元素，大多数NIL代工厂都有其优化的专用压印抗蚀剂。针对不同应用，也开发了各种抗蚀剂，如热固性聚合物、含颗粒树脂、快速固化抗蚀剂等。

凭借其直接图形化特性，NIL可以加工传统光刻难以处理的材料，包括聚合物、金属和纳米材料。通过结合功能性聚合物和纳米压印，可以制造出有趣的器件。林等人通过热压印光弹性聚合物形成微环谐振器，展示了高灵敏度超声传感器，如图3(b-i)所示。此后取得了很大进展。林等人使用软NIL和镶嵌工艺（damascene process）制造了全聚合物高Q因子微环谐振器，图像如图3(b-ii)所示。这种镶嵌结构可以回填功能材料以实现更多样化的应用。林等人使用热压印形成模板，并通过喷墨打印电光聚合物来制造聚合物电光（E-O）调制器。发光共轭聚合物被用作增益介质，并被塑造成激光腔以形成纳米激光器。铁电聚合物也被用来实现非易失性、低电压存储效应。

非有机纳米压印抗蚀剂的开发在学术界和工业界都很活跃。其中一个动机是支持新兴光子应用并克服聚合物材料低折射率的限制，从而为增强现实和平面光学等应用实现多功能性。一种常见策略是将高折射率金属或金属氧化物纳米颗粒（如TiO2和ZrO2颗粒）掺入聚合物抗蚀剂中，形成混合复合树脂。根据配方，混合复合树脂可以旋涂或喷墨到基板上，并用于T-NIL或UV-NIL。压印后，可进行热退火以进一步固化结构。该方法的缺点是，由于该方案中结晶不完全，折射率仍然受限。此外，纳米颗粒（NP）的存在导致结构表面不平整，引起强散射。也可以观察到最终结构的轻微收缩。

溶胶-凝胶（Sol-gel）合成是另一种将金属、无机物和金属氧化物材料引入纳米压印结构的常用方法。在该方法中，首先制备含有前驱体的溶胶-凝胶溶液并在醇溶剂中稳定。然后，加入受控量的水以引发胶体溶液的形成。随后将溶液旋涂并在高温下用图案化软模具压制，以进行热压印、干燥和结晶。由于固化的溶胶-凝胶材料可能在模具上产生应力，因此必须使用软模具。可能需要升高到更高温度以触发收缩以促进脱模过程。Kim等人证明，通过压印TiO2溶胶-凝胶溶液，然后进行不同温度的热退火，可以调节图案化TiO2的材料相和折射率。值得注意的是，基于溶胶-凝胶的方法在结构完全干燥后可能导致显著的结构收缩（~30%）。也可以将纳米颗粒方法和溶胶-凝胶方法结合形成新的复合材料。已经证明，高比例的纳米颗粒可以显著减少收缩，如图3(c)所示。

1.3.1 喷墨分配策略

旋涂可以在基板上均匀涂覆抗蚀剂层。然而，材料利用率非常低，旋转后只有约2%的抗蚀剂留在基板上。此外，压印后可能出现不均匀的残留层，降低图案密度。为了解决这些问题，开发了按需滴落（drop-on-demand）策略的喷墨分配方法。图3(d)显示了这两种方法的比较。在喷墨分配方法中，可以根据结构和图案密度调整抗蚀剂分布，以补偿抗蚀剂负载效应，从而在整个压印区域实现均匀的残留层。此外，通过修改分布模式（例如将大特征分解为分段图案以增强填充速度）可以减少抗蚀剂填充时间。

尽管有这些优点，喷墨分配过程可能耗时且需要专用材料和工具。抗蚀剂必须在室温下具有低粘度，并与喷墨打印头兼容。专用的喷墨分配装置需要精确的机器控制，包括打印位置、分配体积、过滤和颗粒管理。由于高成本和复杂设置，喷墨分配主要用于生产需要精确工艺控制的高价值器件，如超透镜、增强现实波导和半导体器件。这种喷墨分配技术已集成到高端压印系统中。

1.4 压印方法1.4.1 板对板压印 (Plate-to-plate imprinting)

板对板压印是首次展示的纳米压印方法，如图4(a-i)所示。在这种方法中，模具和压印基板尺寸相当，并通过两个平坦的刚性板压在一起，然后进行紫外固化或热压花。该技术对抗蚀剂分配施加的限制不多，并且与固体和软模具兼容，提供了高工艺兼容性和灵活性。板对板压印可以小规模用于概念验证研究。它也可以用于压印整个300毫米晶圆或更广泛的面板尺寸基板以用于制造目的。此外，它可以与对准系统集成以确保 < 1 µm 的套刻误差（overlay error）。板对板压印在工业中广泛用于制造晶圆级光学元件（如透镜阵列），然后通过晶圆堆叠形成紧凑的光学模块。许多具有大批量制造记录的先进工具已经可用。

图4：(a-i) 板对板压印示意图。(a-ii) 分步重复压印。(b) 辊对板压印。(c) 辊对辊压印。(d) 辊对板压印装置及压印结构的照片。图 (a-i)、(b) 和 (c) 转载自参考文献 89，(a-ii) 转载自参考文献 93，(d) 转载自参考文献 89、94。

尽管操作简单，但全晶圆板对板纳米压印光刻有一些显著的缺点。首先，直接通过电子束写入制造12英寸或更大的模板成本高昂。因此，通常需要步进重复方法来制作大型工作模板。其次，随着压印尺寸增大，NIL更容易受到缺陷影响，包括由异物颗粒引起的重复缺陷和由气泡引起的随机缺陷。确保压印区域均匀的温度和压力控制也很困难。大面积接触也需要更大的力来提供合适的压印压力，这在8英寸晶圆上可能超过20 kN。为了解决这个问题，大多数现代压印机通常使用软模具进行整个晶圆的板对板压印。第三，在整片晶圆尺度上对准下层可能很棘手，因为寄生套刻误差随场尺寸增加而增加。第四，整片晶圆板对板压印不是连续过程，每个循环都需要抬起和放置模具，限制了压印吞吐量。

1.4.2 步进重复压印 (Step-and-repeat imprinting)

步进重复压印光刻不是使用大型模具对整个晶圆进行图形化，而是使用仅包含几个芯片（die）的较小模板，通过多次压印对大型晶圆进行图形化，如图4(a-ii)所示。这种方法显著降低了制备模具的成本。此外，较小面积的压印通常更容易，并允许更好的缺陷和套刻管理。缺点是吞吐量较低，需要多次压印才能覆盖大型晶圆。步进重复方法已广泛用于工作印章制备，其中可以通过在同一晶圆上多次压印来获得大型工作印章。

喷墨分配步进重复压印光刻是一项显著的进步。它结合了步进重复（较小的主模具，更好的质量控制）和喷墨分配方法（薄而均匀的残留层）的优点，使NIL能够实现 < 3 nm 的套刻误差和适用于最关键应用的严格工艺控制。然而，它比板对板压印系统更复杂。为了提高吞吐量，正在实施多场分配、抗蚀剂分布优化和抗蚀剂表面能工程。

1.4.3 基于辊筒的纳米压印 (Roller-based nanoimprinting)

基于辊筒的纳米压印是另一种广泛使用的压印方法，它首先在基板上连续涂覆压印抗蚀剂，然后将模压辊压在基板上以形成图案。在最终从模具另一侧的压印辊上分离之前，使用热或紫外曝光固化抗蚀剂。辊筒压印的主要优势在于，它可以通过旋转辊筒实现连续压印，无需按压和抬起过程，从而提高了吞吐量。此外，模具和基板之间的接触面积更小，使得压印控制更容易。辊筒压印系统可进一步分为辊对板（roll-to-plate）和辊对辊（roll-to-roll）纳米压印，如图4(b)所示。在辊对板压印中，基板是平坦的，并放置在压印滚筒接触的位置。随着辊筒旋转和基板以相应速度向前移动，辊筒上的图案可以通过UV-NIL或T-NIL连续转移到涂有抗蚀剂的基板上。至于辊对辊NIL工艺，使用具有图案化表面的压印辊在支撑辊上的柔性基板上进行压印，而不是辊对板NIL工艺中的平板，如图4(c, d)所示。整个过程基于辊对辊制造概念，具有高通量优势，并为工业规模应用提供了一个极具前景的解决方案。据报道，使用紫外辊对辊NIL实现了70纳米线的光栅，压印速度高达约1,400毫米/分钟。

尽管有这些优点，辊筒纳米压印也存在一些挑战。首先，模具不是平的，图案需要刻在圆柱面上，这与传统的电子束写入方法不兼容。最简单的方法是使用柔性模具包裹辊筒，具有足够的柔韧性，例如带有聚氨酯结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或电镀镍垫片（Ni shim）作为大产量制造的耐用模具。其次，压印抗蚀剂通常较厚，并且均匀性难以控制。为了解决这个问题，可以采用喷墨分配方法以实现更好的残留层控制。其他关注点包括压印过程结束时的模具分离。模具相对于压印图案的相对运动会在脱模过程中产生剪切力，因此对于高而深宽比大的结构容易发生图案坍塌缺陷。

1.5 NIL面临的挑战1.5.1 残留层 (Residual layer)

残留层可能对NIL造成重大问题，特别是对于关键尺寸（CD）控制和光学应用。当压印结构用作图案转移层时，必须通过等离子体刻蚀去除残留层，这通常会导致CD漂移。最终残留层必须得到良好控制以实现更好的工艺控制。最小化残留层对于光子器件（如AR波导、超透镜和光子集成电路）至关重要。光学器件的性能，包括转换效率、视角和品质因子，高度依赖于残留层的厚度，需要密切关注。

最小化残留层的一种策略是使用喷墨分配方法，其中可以精确计算抗蚀剂液滴的分布，以避免过多的抗蚀剂导致厚的残留层。如文献所示，当压印具有不同填充因子的图案（例如具有非线性深度轮廓的倾斜光栅）时，产生的残留层厚度通常较厚且不均匀。测得的残留层厚度范围为308纳米至377纳米。另一方面，通过使用喷墨涂层创建定制的NIL聚合物层，残留层的范围可以减少到47纳米至60纳米。其他策略，如通过加热实现自组装，以及使用胶带辅助方法选择性地剥离残留层而不影响压印结构，也正在积极探索中。此外，有报道称使用快速热固化PDMS可实现无残留层压印。对于光学器件，使结构高度远大于残留层可以缓解性能下降，但也可能带来其他问题。在一些独特的设计中，残留层被用作抗反射层。

1.5.2 缺陷率 (Defectivity)高缺陷密度是NIL用于先进应用的主要障碍之一。它可以分为重复缺陷和NIL过程中随机分布的缺陷。重复缺陷源于模具错误，如模具损坏或制造缺陷，导致每次压印出现可重复的错误。随机分布的缺陷在位置上不可重复，主要发生在抗蚀剂填充或脱模过程中。为了解决重复缺陷问题，必须在清洁环境中操作NIL以防止颗粒落在表面。需要进行抗蚀剂过滤以避免抗蚀剂溶液中存在结晶和固体颗粒。

根据缺陷形态和机制，可以进一步分离随机缺陷。i) 显示由于局部剪切应力导致的特征变形缺陷，导致纳米柱错位。ii) 显示内聚失效缺陷，在脱模过程中出现局部结构断裂或图案剥离。这是由于对基板的粘附力弱造成的。iii) 特征坍塌缺陷，由低抗蚀剂模量、高深宽比柱或柱间最小间距引起。iv) 说明大尺度剪切缺陷，由快速和不受控的分离步骤引起，导致非局部抗蚀剂分层。v) 显示填充不完全缺陷，由于压印时间不足或抗蚀剂流动性低而产生。vi) 描绘表面污染空洞缺陷，带有局部去润湿点，据信是由吸附到粘附层上的空气中有机蒸气引起的。

人们已经努力研究和缓解随机缺陷问题。通常，深宽比不能太高以避免特征坍塌。压印抗蚀剂应保持高机械强度和对基板的粘附力。脱模过程中需要受控运动。必须适当设置压印时间以确保完全填充而不牺牲吞吐量。压印条件（如吹扫气体）对于控制空洞缺陷也可能至关重要。如文献所述，通过优化抗蚀剂材料和适当的压印控制，半导体存储器应用的缺陷率可以大大降低。通过简单地提高材料强度（包括拉伸模量）并减少抗蚀剂中的颗粒物，缺陷密度可以降低两个数量级以上。通过精细控制分离过程并实施抗蚀剂过滤系统，缺陷密度可以再降低一个数量级。通过在印刷前将晶圆储存在氮气环境中并增加碳过滤系统，缺陷密度可以进一步降低60%。

1.5.3 对准和套刻控制 (Alignment and overlay control)当前层与先前图案层的精确对准对于制造更先进的结构至关重要。然而，由于配置差异，光学光刻中使用的对准方法不能应用于NIL，必须开发新的对准工艺。在最先进的应用中，套刻误差必须小于3纳米，以确保现代半导体制造中最终器件的正确功能和电路连接。为了满足这一需求，必须调整高阶畸变（例如由模具和所需压印图案之间形状差异引起的放大误差），以进一步最小化套刻误差。

2. 用于大批量制造的纳米压印经过30年的发展，NIL已被用于半导体、增强现实、生物医药、显示器和光电器件等多个领域的制造。与传统光刻用于大规模生产相比，它可以通过简单的设置实现高分辨率图形化。其CMOS兼容特性也使NIL能够与其他成熟的图形化技术（如干法刻蚀和剥离工艺）协同工作。此外，它可以通过使用基于辊筒的压印进行大规模制造，以实现相对低成本且高产量的目的。它可以在非平坦表面上实现，满足特定应用的特殊需求。NIL的缺陷率问题是制造关注点之一。这些缺陷类型在过去30年中已被研究和解决。许多应用已经认可NIL的质量并已用于制造。

随着半导体和超光学等先进应用持续向亚50纳米甚至亚10纳米领域推进，高分辨率光刻已成为制造的主要瓶颈之一。在现有技术中，NIL、电子束（E-beam）光刻和极紫外（EUV）光刻是目前唯一能够满足这些苛刻分辨率要求的可行候选方案。虽然EUV光刻已成功应用于尖端集成电路（IC）生产，但它存在显著限制。高昂的拥有成本（CoO），由需要复杂且昂贵的系统（包括高功率光源、多层反射镜和真空室）驱动，仍然是一个关键挑战。此外，EUV的能耗是一个主要问题。根据文献，在半导体制造中15纳米器件的图形化方面，EUV的功耗是NIL的10倍，每片晶圆的成本是其2倍。相比之下，电子束光刻提供了出色的分辨率，但由于其串行图形化方法（逐点写入图案），吞吐量极低。这使其更适合掩模制作或研究规模的原型制作，而不是大批量制造。这些限制凸显了对替代光刻方法（如NIL）日益增长的需求，NIL为某些先进应用提供了高分辨率、低能耗和更高成本效益的承诺。

2.1 半导体制造中的纳米压印半导体制造是一个高度复杂和精密的过程，需要极高的稳定性和精度。要使NIL在硅IC生产中可行，必须满足几个关键要求：i) 压印分辨率小于结构的关键尺寸；ii) 套刻误差满足应用相对于最小半节距（half-pitch）的误差预算要求；iii) 低工艺缺陷率，以确保基于应用的可接受缺陷密度；iv) 高通量，对于300毫米晶圆达到 > 80−100片/小时，以确保可接受的生产速率和具有竞争力的工具拥有成本（CoO）。

图6：佳能公司首款半导体级纳米压印工具 FPA-1200NZ2C。(a-i) 压印工具的外观。(a-ii) 压印模具。(a-iii) 由 FPA-1200NZ2C 制备图案的 12 英寸晶圆。(b-i) 对准检测方案。(b-ii) 通过检测一级莫尔条纹可测量对准偏差。(b-iii) 通过按压印章并对晶圆施加激光加热可补偿高阶畸变。(c-i) 模板经弯曲后与压印抗蚀剂形成抛物线形接触。(c-ii) 分离过程的连续图像。(d-i) 纳米压印光刻（NIL）压印及图案转移工艺示意图。(d-ii) 蚀刻条件和残余层厚度（RLT）可有效影响下方 SOC 层的关键尺寸（CD）。(e-i) 半导体后端工艺中的半导体互连层。(e-ii) 光学光刻与纳米压印光刻（NIL）的大马士革工艺对比。图 (a-i)、(a-ii) 和 (a-iii) 转载自参考文献 44，(b-i)、(b-ii) 和 (b-iii) 转载自参考文献 97，(c-i) 转载自参考文献 44，(c-ii) 转载自参考文献 96，(d-i) 和 (d-ii) 转载自参考文献 100，(e-i) 和 (e-ii) 转载自参考文献 111。

在2000年代初，几家半导体公司试图采用NIL进行半导体制造，因为其具有卓越的分辨率。然而，由于当时技术不够成熟，其缺陷率、套刻精度和吞吐量远远落后于半导体制造要求，并未被视为先进半导体制造的具体解决方案。经过几十年的发展，纳米压印供应商（如佳能公司）在改进NIL系统和大幅提升NIL质量以满足半导体行业严格要求方面取得了重大进展。2023年，佳能公司宣布推出其首款用于12英寸晶圆图形化的半导体级纳米压印工具（FPA-1200NZ2C，图6(a-i)），并于2024年将该工具交付给代工客户。根据文献，该工具在分辨率和套刻精度方面均满足20纳米3D NAND的要求，其大批量制造正在评估中。

2.1.1 半导体级NIL工具FPA-1200NZ2C是首款满足行业要求的半导体级工具。它是一种基于紫外、喷墨涂覆的步进重复压印机，目标用于12英寸晶圆制造。主印章由大日本印刷（Dai-Nippon Printing）通过电子束写入6英寸晶圆制成（图6(a-ii)）。采用工作印章策略以延长主模具的使用寿命。标称压印线宽为14纳米，对应于先进逻辑半导体的5纳米节点，预计能够压印最小线宽10纳米，对应于2纳米节点。图形化场尺寸为26 mm × 33 mm，与光学光刻的典型场尺寸相匹配，如图6(a-iii)所示。它与12英寸半导体晶圆兼容，压印吞吐量为20片晶圆/工作站和80片晶圆/工具。标称套刻精度 < 3纳米。据报道，该工具使用类似器件的图案化掩模（20纳米半节距线间距）的平均缺陷密度为0.03个缺陷/平方厘米。本节将简要概述首款半导体级NIL的构建方式以及改进措施。

FPA-1200NZ2C系统的对准检测方案基于干涉效应，其中在特定多波长照明设置下，压印模具和基板上的对准标记形成特殊的莫尔条纹（Moiré fringes），如图6(b-i)所示。通过检测通过掩模的一级干涉图案，可以检测模具错位，精度低至1纳米。至于对准过程，在模具和基板接触前进行约500纳米精度的粗对准。接触后，进行调整以微调旋转和横向对准。然后使用两种独特的NIL方法进行高阶畸变误差补偿。放大倍率驱动系统使用多个执行器施加力使模具变形以获得更好的套刻精度。畸变误差也通过高阶畸变控制（HODC）进行校正，其中使用DMD（数字微镜器件）镜片引导激光在基板上施加局部热量，以在逐场基础上引起变形，如图6(b-ii)所示。还采用了其他方法，如模具倾斜和力管理，以避免畸变误差。到目前为止，与ASML ArFi扫描仪匹配的机器平均 + 3西格玛套刻精度在x和y方向上分别为2.4纳米和2.2纳米。对于单机套刻测量（NZ2C对NZ2C），x和y方向的平均 + 3西格玛分别为1.8纳米和1.5纳米，满足3D NAND闪存市场的要求。

FPA-1200NZ2C的缺陷率降低是通过减少重复缺陷和随机缺陷实现的。使用经过特殊处理（如抛光、涂层和加热）的陶瓷材料作为腔室材料，以减少工具产生的颗粒并防止侧壁降解。其他工具部件，如气体喷嘴，经过机械和化学抛光以平整表面。采用高过滤空气幕系统，从移动平台吹送净化气体穿过压印区域，以防止颗粒落在晶圆上方。此外，为了防止在脱模过程中因累积的静电荷将颗粒吸引到压印掩模上，使用静电清洁板来补偿压印掩模上产生的静电电位。通过应用这些方法，每个周期的平均重复缺陷已从2013年的10个/晶圆急剧下降到2024年的0.003个/晶圆。

主要的随机缺陷是未填充缺陷（non-fill defects）和特征坍塌。可以通过确保足够的压印时间并避免在模具和基板之间滞留空气来最小化未填充缺陷。如图6(c-i)所示，采用类似文献的方法产生模板的微米级抛物线变形，在压印过程中与抗蚀剂液滴形成凸面接触，从而从离散液滴形成连续的液体薄膜而不产生气泡。结构的深宽比限制在 <2.5:1 以避免内聚失效和图案损坏。分离过程也得到良好控制，以确保过程中速度一致。图6(c-ii)显示了分离过程的实际图像，展示了在0.30秒内均匀且对称的分离前沿。在所有情况下，随机缺陷率均低于0.03个缺陷/平方厘米，并且在许多情况下远低于0.01个缺陷/平方厘米。

步进重复纳米压印的低吞吐量一直是个问题。FPA-1200NZ2C采用策略来解决这个问题，包括提高压印材料的润湿性、减少材料填充时间、改进分配系统、引入创新的分配系统等。压印抗蚀剂的润湿性被设计得较高，以便材料能够快速铺展并完成抗蚀剂填充。调整抗蚀剂分配系统并将单滴体积从1.5皮升（pL）减少到1.0皮升也减少了所需的抗蚀剂填充时间。稀疏图案由于抗蚀剂液滴之间的距离大，往往填充更慢。这个问题可以通过在该区域填充虚拟图案（dummy patterns）来解决。多年来，已经开发出复杂的算法来寻找最佳的液滴体积和抗蚀剂图案，以最小化填充时间和潜在缺陷。在执行纳米压印时，环境气体可能被困在抗蚀剂和模具的界面处，形成微米级气泡。为了促进气泡消散，在抗蚀剂堆栈中使用透气性旋涂碳（GP-SOC），它可以快速吸收气体，从而缩短铺展时间。将压印系统中的环境气体从氦气（He）改为二氧化碳（CO2）在理论和实验上都被证明能有效加快溶解过程。

FPA-1200NZ2C的杰出成就也得益于NIL生态系统的建立。例如，NIL的缺陷控制依赖于缺陷检测系统来准确识别缺陷失效模式和失效源。使用原位模具检测系统可以快速识别压印过程中的重复缺陷。实施主模具清洁站可以进一步降低缺陷密度。还已知转移到下层的最终图案取决于纳米压印结构、残留层厚度、除胶（descum）方法和紫外固化剂量，如图6(d)所示。这些因素需要得到良好的表征，并且可以作为关键尺寸控制的重要工艺调控旋钮（knobs）。晶圆平整度在压印质量中也起着至关重要的作用。改进还依赖于平坦化工艺的进步。此外，类似于当前光刻技术，需要建立设计规则，以便工程师可以相应地设计布局以避免潜在的失效发生。

2.1.2 半导体制造现状NIL的初步测试数据在缺陷率、套刻精度和分辨率方面已满足3D NAND和DRAM应用的标准。几家公司，包括铠侠（Kioxia）、东芝（Toshiba）和SK海力士（SK Hynix），一直在积极研究使用纳米压印图形化3D NAND结构的可行性。美光科技（Micron）作为DRAM制造公司之一，最近也宣布了将纳米压印集成到其DRAM生产流程的计划，旨在降低生产成本并提高效率。至于逻辑器件，佳能公司致力于开发用于后端制程（BEOL）12纳米半节距及以下的金属互连工艺的NIL技术。由于3D图形化特性，NIL有望显著简化通孔和沟槽（via-and-trench）结构的双镶嵌工艺（dual damascene process），从几个图形化步骤和刻蚀减少到单次图形化和一次刻蚀，提供40%的成本降低，如图6(e)所示。使用NIL也固有地最小化了由于一步工艺导致的套刻误差和光学邻近效应校正（OPC）问题。

尽管NIL在半导体应用中显示出巨大潜力，但报道的大多数关于半导体制造中NIL工艺的工作仍处于早期探索阶段，主要旨在评估NIL的工艺能力和兼容性。因此，仍需持续努力改进工具和工艺控制。跨模块协作对于优化工艺也是必要的。例如，3D镶嵌图形化表明较薄的压印抗蚀剂可以减少压印气泡缺陷。然而，这依赖于后续刻蚀步骤对薄抗蚀剂的妥协。同样值得注意的是，纳米压印不会完全取代光学光刻，而只会替代那些NIL显示出优势的特定层。

2.2 硬盘驱动器的图案化磁性纳米结构传统的硬盘驱动器依靠颗粒状记录介质存储信息，但随着晶粒尺寸减小以实现更高记录密度，它们日益受到热波动导致数据丢失的困扰。为了解决这一限制，提出了图案化磁性纳米结构（PMN）方法，其中将连续的磁性层划分为离散的磁性点阵列——每个点代表一个比特位。该策略实现了超高密度存储并显著提高了热稳定性。然而，实现PMN的关键挑战在于以可扩展且具有成本效益的制造水平制造这些特征尺寸约为10纳米、密度超过100 G点/平方英寸的纳米点。

为了解决这个问题，由周郁领导的研究团队开创了T-NIL，为纳米结构制造提供超高分辨率、高通量和低成本。使用NIL，该团队展示了一种存储密度为400 Gbit/平方英寸的磁盘，比商用磁盘高出近三个数量级，具有10纳米特征和40纳米周期性。认识到NIL在数据存储领域的潜力，几家公司已开始努力将NIL应用于商用设备。例如，希捷研究中心（Seagate Research Center）采用带有喷墨涂层的UV-NIL实现了超过2 Tb/平方英寸的点图案密度，使用的特征尺寸小至18纳米。东芝也展示了使用自组装方法结合UV-NIL的2.5 Tb/平方英寸比特图案介质系统。

尽管取得了这些进展，仍然存在重大挑战。光刻定义图案的大规模制造需要对多个磁盘上的图案位置进行精确控制并保持严格的公差，以确保一致性和功能性。制造具有超小特征尺寸和高密度的NIL主模具要求特别高。此外，将图案转移到磁性材料的工艺通常涉及刻蚀，随着尺寸缩小，保持尺寸均匀性和结构保真度变得越来越困难。这些技术障碍必须克服，才能充分发挥基于NIL的PMN在下一代数据存储中的潜力。

2.3 平面光学 (Flat optics)超透镜（Metalens）是近年来最令人兴奋的光子技术之一，也是推动纳米压印光刻发展的另一股主导力量。虽然超透镜很小，但它们的行为可以像传统的几何透镜。它们有潜力取代手机、智能眼镜甚至汽车设备中的厚光学堆栈，以实现多种功能，如面部识别、用于3D感测的点投影、用于激光雷达的图像投影、图像放大、眼动追踪和飞行时间（ToF）测量。

如图7(a-i)所示，超透镜由特征尺寸<100纳米、高深宽比的纳米柱阵列组成。当光穿过具有深亚波长特征尺寸的超原子（meta-atoms）时，光会经历传播相移，改变场分布。通过精心设计柱的结构和间距，可以实现精确的光操控，例如光聚焦。超透镜的制造必须满足几个要求才能实现高效和紧密的聚焦。首先，图形化分辨率需要高，且变化控制严格。如文献所述，100纳米宽度的纳米柱出现5纳米的变化会导致>20%的聚焦效率损失，这可能导致成像伪影，如“亮点”，如图7(a-ii)所示。其次，柱必须足够高以完成2π相位控制。对于可见波长，其高度通常大于500纳米，对于更长波长可能需要更高的结构。第三，超结构组成需要具有低光学损耗的高折射率材料，以实现更好的成像转换可控性。常用材料有非晶硅（a-Si）、用于近红外波长的Si3N4，用于可见光波长的Si3N4、TiO2和Nb2O5，以及用于紫外波长的ZrO2。第四，面积>1平方厘米的超透镜通常对于更好的成像质量和适用性是理想的。

图7：纳米压印光刻（NIL）中常见缺陷模式的缺陷图像（a）及机理（b）。（i）图形畸变，（ii）黏附失效，（iii）图形坍塌，（iv）大范围剪切缺陷，（v）填充不完全，（vi）表面污染导致的空洞缺陷。图像转载自参考文献 44。

高分辨率、高通量、曲面兼容和低成本特性使纳米压印光刻成为制造超透镜的主要技术之一。NIL + RIE方法和直接NIL方法均可用于大规模生产，各有优势。NIL + RIE方法的优点是与半导体行业已成熟的压印系统高度兼容。可以实现高图形化质量。主要缺点是需要高深宽比刻蚀。由于整个超表面的图案密度变化很大，负载效应会极大地影响刻蚀轮廓和深度。在这方面，通常有完整的设计规则用于超表面设计以避免布局问题。由于透镜区域填充因子变化导致的残留层厚度变化也必须考虑。厚（>500纳米）高折射率材料的沉积和刻蚀通常耗时，并且可能需要专用方法，这可能限制工艺灵活性。

几家公司已经验证了使用NIL + RIE方法制造超透镜的可行性。NIL Technology (NILT) 利用整片晶圆的板对板NIL，然后进行干法刻蚀，制造了500纳米高度的a-Si基超光学元件，具有出色的工艺控制，如图7(a-i)所示。具有不同尺寸的制造超原子的横向尺寸三西格玛工艺变化为5纳米。在z维度上，2毫米视场内的高度变化<1纳米，整个100毫米基板上<10纳米。这种严格的工艺控制使得制造的超透镜具有>80%的高聚焦效率和<1.5%的轻微变化。最近，NILT推出了一系列针对不同应用的紧凑型超透镜模块。成像模块的小外形尺寸可以显著惠及可穿戴设备，如图7(a-iii)所示。

Moxtek是首家将超透镜商业化用于可见波长的公司。如图7(a-i)所示，他们的超透镜由具有高深宽比（>12）、紧密峰峰间距（最小70纳米）和820纳米柱高的Nb2O5纳米柱组成。NIL工艺涉及在200毫米玻璃晶圆上进行软保形压印光刻，然后进行干法刻蚀。所生产的超透镜在532纳米波长下平均聚焦效率为86%，并且在多个晶圆上表现出高晶圆间一致性（83%–90%）。此外，在绿光和红光测试下，超透镜在调制传递函数（MTF）方面优于几何透镜。最近，Moxtek推出了手机放大镜等产品，并扩展了其超透镜代工市场。使用iPhone上的放大镜拍摄的示例图像如图7(a-iv)所示。

另一方面，直接NIL方法也正在工业界积极开发，为大批量制造做准备。直接NIL方法可以在无需沉积和RIE步骤的情况下，将压印材料图形化为最终所需的超结构。一个主要挑战是找到合适的压印抗蚀剂，它必须具有高折射率（n>2.0）、低光学损耗。此外，结构必须物理稳定以防止剧烈的尺寸变化，并且足够坚固以承受高结构脱模过程。最近，在高可扩展性方面取得了一些进展。Yoon等人使用软模具NIL，通过将硅纳米颗粒与热可打印树脂混合以增强纳米结构的折射率，打印出在近红外区域工作的超透镜。同样，Einck等人和Yoon等人通过将TiO2纳米颗粒掺入紫外固化树脂中提高了NIL抗蚀剂的折射率，并成功压印了在可见光谱中工作的超透镜，如图7(b)所示。Gong等人利用由聚硅氧烷基质和TiO2纳米颗粒组成的市售抗蚀剂，制造了用于防伪应用的可见光范围工作的超透镜。使用聚硅氧烷代替丙烯酸酯作为基质提供了低表面张力和更好的脱模性能，使压印图案的深宽比超过10:1。Kim等人报道了通过在12英寸晶圆上沉积一层薄TiO2来补偿树脂的低折射率，制造厘米级超透镜，如图7(c)所示。Kim等人使用热退火来改变溶胶-凝胶结构的结晶度，进一步将折射率提高到2.5以上，如图7(d)所示。高折射率材料的常见问题包括对纳米颗粒表面化学性质和尺寸控制不佳，导致分散不良和较大的颗粒聚集体，从而引起光散射和雾度。溶剂基树脂的收缩率约为15%，需要最小化。其他方法，如图形化常规紫外抗蚀剂后进行金属沉积，也被用于制造用于结构色和全息加密的等离子体超表面。这些等离子体超表面也可以在曲面大规模实现。

2.4 增强现实的衍射纳米光栅 (Diffractive nanograting for augmented reality)增强现实（AR）眼镜是推动NIL发展的另一股力量，如图8(a-i)所示。在这些AR眼镜中，需要紧凑的光学系统将来自远处显示器的光传导到用户的眼睛。一种广泛应用的实现方式是衍射波导系统，它使用高折射率基板作为光波导，并在基板上构建表面浮雕光栅（SRG），以衍射光进行耦入、扩展和耦出，如图8(a-ii)所示。典型的SRG包括倾斜和闪耀光栅，具有约100纳米的特征尺寸、倾斜的鳍片以及数百纳米的重复周期，如图8(c)所示。为了提供舒适的视野，SRG的面积通常在几平方厘米范围内，以适应人眼视窗（eye boxes）。

图8：纳米压印光刻（NIL）中常见缺陷模式的缺陷图像（a）及机理（b）。（i）图形畸变，（ii）黏附失效，（iii）图形坍塌，（iv）大范围剪切缺陷，（v）填充不完全，（vi）表面污染导致的空洞缺陷。图像转载自参考文献 44。

衍射波导的关键性能属性包括图像对比度、亮度均匀性和视场角（FOV）。波导基板和光栅结构的材料起着至关重要的作用。如图8(b-i)所示，波导和光栅结构的高折射率材料与显示器的视场角密切相关。波导材料的透明度同样重要。图8(b-ii)显示，与使用高透明波导材料相比，使用低透明度材料作为波导会降低图像对比度。还必须优化其他因素，如角锐度和侧壁光滑度。尽管纳米光栅的特征尺寸不如超表面那样小，但由于光必须在波导中长距离传播，工艺容差可能更严格。例如，根据当前的工业标准，光栅周期的制造公差在几十皮米（picometers）的量级。对于光栅的倾斜角度，公差在几十角秒（arcseconds）的量级。

多家公司正在通过直接NIL制造AR眼镜。具有高折射率、低雾度（0.1%）、高透明度（95%）和低收缩率的压印材料正在为AR衍射波导应用积极开发。图8(c)显示了使用具有喷墨分配功能的板对板NIL制造的SRG结构。使用纳米颗粒掺杂的高折射率复合树脂制造的光栅与使用紫外树脂制造的结果相似。尽管存在纳米颗粒，光栅结构和边缘仍然清晰可辨。残留层也很薄，约30纳米。衍射波导也通过辊对板NIL制造。图8(d)显示，使用Morphotonics的辊对板方法，在几分钟内制造出包含1100 mm × 1300 mm面板和480套波导的产品。所制造光栅周期的测量工艺变化为20皮米，相对取向的标准偏差为5角秒，具有严格的工艺控制。尽管有高通量的优势，辊对板压印中厚的残留层（4.6 μm）是关注点之一，如图8(e)所示。这可以通过使用低粘度溶剂基树脂或优化抗蚀剂分配策略来改善。市场上也有折射率为1.8的纯聚合物材料，在可见光波长下提供高透明度。NIL + RIE方法也用于制造波导光栅结构。通过使用倾斜反应离子束刻蚀机刻蚀高折射率基板，如图8(f)所示，也可以实现3D SRG。NIL + RIE方法的优点是它更兼容SiC等高折射率基板。然而，它需要精密的工具并且会限制吞吐量。

Magic Leap是成功推出其AR眼镜（Magic Leap 2）产品的先驱公司之一，该产品由NIL制造，如图8(a-i)所示。Magic Leap利用喷墨分配方法，结合辊对板压印工具，实现SRG的高通量制造和薄残留层（10-20纳米）。它还优化了其压印工具，以实现波导玻璃两侧的双面图形化。它使用多达32种不同的深度进行衍射光学元件（DOE）设计以实现所需的功能。通过优化设计和制造工艺，Magic Leap可以实现>90%的良率和>2.0的过程能力指数（process capability index），标志着其辊式NIL系统具有卓越的工艺控制和高均匀性。最终的Magic Leap AR眼镜与其前代版本相比，眼窗效率提高了7倍，耦出面积增加了2倍。

2.5 晶圆级光学器件和晶圆堆叠 (Wafer-level optics and wafer stacking)为光学模块（如激光雷达、面部识别和图像传感器）制造晶圆级光学器件是纳米压印光刻的另一个重要应用。其基本思想是使用纳米压印在晶圆级制造单个光学元件，如光学扩散器、微透镜和衍射光学元件。然后将这些制造的晶圆对齐并通过紫外键合（UV bonding）结合在一起，形成晶圆堆叠。然后将晶圆堆叠与其他元件（如CMOS传感器和激光器）一起封装，最后切割成单个器件。由于外形尺寸小和性能成本比低，晶圆级3D传感器和成像系统已广泛应用于汽车设备中。晶圆级紫外压印微光学元件自1995年引入以来，已成为NIL的首个大批量制造应用。

微透镜阵列是最广泛使用的晶圆级光学元件之一，如图9(a, b-i)所示。使用UV-NIL技术制造的高质量、可靠、低粗糙度的微透镜已使用针对各种应用定制的紫外树脂实现商业化。微透镜阵列可以与CMOS传感器高精度键合，将入射光聚焦到每个感光像素的有效区域上，有效增强相机灵敏度。衍射光学元件和光学扩散器是广泛用于光束整形的元件，如图9(a, b-ii)所示。通过适当设计结构，输出光可以被改变成不同的形状，例如离散的3D点云、均匀的平顶光束（top-hat beams）或无眩光均匀照明。由于光转换效率和衍射角度与衍射元件的结构高度相关，NIL凭借其3D图形化和更好性能的优势提供了独特的优势。通过将衍射元件与激光器、垫片（spacer）、线栅偏振片（wire-grid polarizer）和滤光片等光学元件集成，可以获得用于3D感测、激光雷达和ToF传感器的紧凑型光学模块。

最近，NIL已扩展到晶圆级硅光子（Si photonics）封装领域。如图9(c-i)所示，通过UV-NIL后接金属沉积，制造了一个3D聚合物波导和两个反射镜（M1和M2）。反射镜用于引导入射光聚焦到聚合物波导上。压印的聚合物波导从11μm × 11 μm的横截面逐渐变细（taper）到5 μm × 2 μm，用作模式转换器，将大输入光束转换为更小的尺寸以匹配硅波导的模式。3D锥形聚合物波导沿着下方的硅波导以亚微米精度对准，以促进光从聚合物波导向硅波导的传输，如图9(c-ii)所示。

2.6 显示器 (Display)纳米压印光刻用于显示器制造。一个著名的例子是蛾眼（moth-eye）结构，这是一种仿生结构，包含密集的柱状物，特征尺寸为100−200纳米，如图9(a, b-iii)所示。蛾眼结构可用作抗反射涂层，将玻璃表面的光反射从8.0%-10.0%大幅抑制到0.5%以下，并具有宽工作波长。此外，独特的结构还具有疏水性，形成防雾和防水表面。这些结构现在用于显示器、汽车和展览橱窗，并通过板对板和辊筒压印进行大规模生产。纳米压印也用于制造铝制线栅偏振片，其中在透明基板上形成具有50−100纳米节距和100纳米高度的线性铝线，如图9(a, b-iv)所示。线栅偏振片可以通过辊对板或板对板方法制造，通过图形化刻蚀掩模然后刻蚀铝纳米线，或者通过压印聚合物纳米线然后沉积铝材料。由于线栅偏振器是基于反射的，与其他基于吸收的偏振器相比，它可以避免光损失，并显示出更宽的工作波长。它们用于高亮度液晶显示器。它也可以与晶圆级光学器件集成，并与其他光学元件键合用于复杂的成像应用。纳米压印还用于制造结构化光导器件，以在显示技术中创建均匀照明。如图9(a, b-v)所示，当LED光通过边缘进入波导时，光将被困在波导内，直到遇到压印在表面上的输出耦合结构，并向显示器发射。这些输出耦合结构通常是二元衍射光栅、具有3−5微米特征尺寸的棱镜状反射镜。通过适当安排结构的密度和分布，可以实现薄而均匀亮度的显示器。这种结构化光导器件已被用于照明显示器，如基于液晶（LCD）的平板电脑和电子墨水阅读器。

2.7 光电器件 (Optoelectronic devices)纳米压印用于光电器件，如发光二极管、光伏太阳能电池板和分布式反馈（DFB）激光器。已经证明，使用图案化蓝宝石衬底（PSS）制造GaN LED可以显著提高光提取效率（>30%），促进GaN LED的外延生长并提高良率，如图9(a, b-vi)所示。然而，蓝宝石衬底的粗糙和翘曲特性使其难以通过传统光刻进行图形化。通过使用带有柔性模具的全晶圆级板对板压印，然后进行干法刻蚀，可以显著缓解这些挑战。如今，专用于图形化PSS的NIL工具已经可用，并逐渐被LED制造行业采用。NIL已成为提高光伏器件性能的实用方法。UV-NIL已被用于复制周期性光捕获几何结构，如金字塔、光栅和网格，在薄膜光伏的前电极或后电极上，以增加光通过有源区的有效路径长度，从而提高太阳光的吸收和转换效率，如图9(a, b-vii)所示。NIL的高通量特性使其成为大面积光伏器件的理想工具。除了有效增加吸收路径长度外，NIL还可以控制分子取向/结晶度并提高沉积良率。纳米压印也用于图形化分布式反馈（DFB）激光器的光栅结构，其中光栅结构决定了反馈强度和光学损耗，如图9(a, b-viii)所示。最近，IQE宣布采用NIL制造具有约500纳米周期、低粗糙度和高质量的DFB激光器中的周期性光栅结构。

2.8 光纤光学中的NIL (NIL for fiber optics)除了在平面上大规模制作图案外，NIL还可以在微小的光纤尖端（纤芯直径约10 μm）上高效且经济地制作精细图案。为了在光纤尖端上制作纳米结构，将光纤浸入紫外固化树脂中，并通过压电平台与工作模具对准。对准后，将紫外光耦合到光纤中以固化树脂，然后进行脱模过程。这种方法可以快速将图案（如用于近场超分辨成像的钟形探针（campanile probes）、用于聚焦光的菲涅耳透镜、平顶光束整形器和涡旋相位板）转移到光纤上，而无需专用工具（如离子束铣削、双光子聚合、激光加工等）。这种基于光纤的纳米压印技术现正为量产做准备。

2.9 生物医学应用 (Biomedical applications)除了光子学和半导体，NIL在更广泛的生物医学领域的应用也在快速增长，特别是在基因测序领域。在合成测序（SBS）平台中，NIL可重复地将均匀纳米孔阵列（≈100纳米直径）压印到玻璃或聚合物基板上，为桥式扩增（bridge-amplified）的DNA簇创建离散的反应室。在测序过程中，荧光标记的核苷酸一次一个碱基地掺入每个孔中，高分辨率光学成像记录每次掺入事件。NIL也支撑着固态纳米孔传感器的制造：它在薄膜中制作20–50纳米孔径，这些孔径可以通过热或化学方法收缩到个位数纳米孔。当电势驱动单链DNA通过这些孔时，每个核苷酸会产生特征性的离子电流阻断；然后对这些电流波动的实时分析揭示了潜在的DNA序列。几家生物医学公司（如Illumina）已采用NIL来制造DNA测序工具。

NIL在药物输送应用中也很有用，可以精确设计具有特定形状和尺寸的纳米颗粒。通过使用含有可交联聚合物和生物材料的前体溶液结合预定义的模具，可以制造高度单分散、酶响应的纳米颗粒，小至50纳米。NIL还可用于免疫分析芯片和纳米流体芯片，用于生物传感和分析。例如，通过精确控制纳米流体通道的横截面从300 nm × 700 nm到75 nm × 120 nm，可以调节流过纳米通道的DNA的拉伸状态。在组织工程中，正在探索NIL来创建引导细胞生长和行为的仿生表面。其他应用，包括纳米级的直接蛋白质图案化，也已被证明。

3. 学术研究进展除了工业和制造业致力于优化大批量生产的压印系统和工艺外，学术界更侧重于探索新的纳米压印应用，并利用NIL的优势来提升其能力。得益于NIL较少的材料限制，许多材料可以用NIL进行图形化，并可能发现新的特性。此外，由于NIL通常涉及加热和压制步骤，功能可能有所不同。研究人员还在积极探索解决NIL固有挑战的方法，如残留层问题和脱模引起的缺陷。NIL的变体，如超声波辅助NIL，也被利用以使NIL更广泛地应用于不同领域。

3.1 高品质因子光学器件 (High-quality factor optical devices)NIL的一个显著优势是光刻引起的边缘粗糙度低，这使其适用于制造高品质集成光子器件。在光波导中，由波导粗糙度引起的光散射是导致光耗散的主要因素。波导粗糙度通常分为线边缘粗糙度和侧壁表面粗糙度。前者通常发生在光刻步骤中，其中剂量波动或光刻分辨率不足是主要因素。后者通常由刻蚀过程引起，导致侧壁不光滑。尽管光波导的特征尺寸只有几百纳米，但光子集成电路的性能对纳米级粗糙度很敏感。NIL可以显著避免粗糙度问题，因为NIL模具的制造通常基于电子束写入，可以最小化光刻引起的粗糙度。此外，NIL模具通常在标准材料（如Si或SiO2）上制造，具有成熟的刻蚀技术。

林等人使用高度光滑的硅模具进行热压印，在薄聚苯乙烯薄膜（n=1.58）上制造了品质因子>150万的聚合物微环谐振器，覆盖整个晶圆。与其他聚合物器件相比，使用NIL的品质因子提高了1−2个数量级。纳米压印也可以通过NIL + RIE方法制造高品质因子器件。刘等人证明，使用图案转移层，SiN微环谐振器的Q因子可以达到1000万以上。制造的器件已用于非线性光学以产生高质量频率梳（frequency comb）。NIL也可用于高Q因子3D器件。Ofer等人使用直接激光写入（direct laser writing）制作3D微谐振器的主模具，然后进行双软NIL（dual soft NIL），使用PDMS和SU8固化树脂将图案转移到溶胶-凝胶材料中。为了减少直接激光写入继承的表面粗糙度，在双压印过程中进行热回流（thermal reflow）步骤以平滑缺陷，如图10(a-i)所示。热回流技术将测量的Q因子从110,000提高到超过3,000,000，如图10(a-ii)所示。这项工作展示了使用简单设备制造高Q因子3D纳米光子器件。

3.2 模塑诱导的分子取向 (Molding-induced molecular alignment)NIL提供了一种独特的方式来控制半结晶聚合物中的链排列和晶体取向。Cox等人和Aryal等人证明了使用T-NIL控制共轭聚合物聚(3-己基噻吩)（P3HT）3D链排列的能力。在压印过程中，聚合物链倾向于沿聚合物流动方向排列。由于疏水模具表面的相互作用，P3HT分子链在高温过程中旋转并转向模具的疏水侧壁，如图10(b-i)所示。通过使用不同的模具结构，如1D纳米光栅和纳米柱，可以有效调节和对齐聚合物链，如图10(b-ii)所示。由于聚合物主链与载流子传输特性相关，这种能力最近被设计用于提高太阳能电池和场效应晶体管（FET）的性能。

胡等人展示了使用适当设计的模具进行T-NIL时调控铁电聚合物晶体取向的能力。压印后，偶极矩在施加垂直电场时绕其旋转的链轴方向平行于基板高均匀性地排列，从而实现低电压操作。铁电纳米单元中晶体的择优取向极大地提高了铁电聚合物存储器的性能，使其能够与更昂贵的技术（如闪存）竞争。

3.3 压印用于应变工程 (Pressing for strain engineering)应变工程是一种有前途的方法，可用于调节材料特性和器件性能，如载流子迁移率、导电性和带隙调制。涉及压制和加热的纳米压印工艺可以有效地以纳米级分辨率对材料进行工程化处理。王等人证明，通过将具有周期性光栅的模具压印到带有碲（Te）纳米线的基板上，可以诱导周期性应变场，改变Te纳米线的光学特性，如图10(c-i)所示。观察到的拉曼光谱揭示了在相应应变条件下强烈的晶格振动响应，表明1D Te作为可变形光电子学和可穿戴传感器的候选材料的潜力，如图10(c-ii)和(c-iii)所示。孙等人证明了在2D材料中进行低成本应变工程的能力。2D材料的应变幅度的连续调节和各种应变分布的成功实现已通过扫描拉曼光谱评估。这种应变工程方法与标准半导体制造工艺兼容，为广泛的纳米电子和光电器件的进步提供了前景。

3.4 不同类型的NIL

3.4.1 聚合物纤维压印 (Polymer fiber imprinting)大多数纳米压印技术是在平面或半平面基板上实施的。最近，一种直接压印热拉伸（DITD）技术展示了在整个纤维表面上以十纳米分辨率和大规模进行图案化的能力，如图11(a)所示。在该过程中，将聚合物预制件（PVDF）送入熔炉，将预制件拉长成细纤维。然后通过一对具有所需表面结构的辊筒，将图案从模具转移到纤维上，具有高分辨率。这是一个连续过程，可实现大规模、高分辨率的聚合物压印，例如光栅结构。通过在压印的纳米棒结构上沉积一层薄金膜，可以观察到等离子体效应，预计可用于生物传感应用。该技术还显示出与其他功能纤维图案化的兼容性，并可用于自供电可穿戴多点触摸传感器。

3.4.2 激光纳米压印 (Laser nanoimprinting)纳米压印也可以直接图形化硬材料，如晶体硅和金属，分辨率达到纳米级。周郁等人演示了激光辅助直接压印（LADI）方法，以亚10纳米分辨率图形化硅。在该方法中，使用单个XeCl准分子激光脉冲熔化硅的表面薄层。随后，将石英制成的模具压入低粘度的熔融硅液层中，并在硅凝固后分离。低粘度硅特性赋予了LADI引人注目的特点——亚10纳米分辨率、亚250纳秒处理时间以及对大型孤立图案的优异压印。高（Gao）等人利用激光冲击压印（LSI）实现高分辨率且光滑的晶体金属图形化，如图11(b)所示。在该方法中，使用高功率纳秒脉冲激光照射烧蚀涂层，该涂层升华并产生高压（0.85−1.83 GPa）冲击波，将金属片压缩到纳米图案化的硅模具中。LSI不受金属晶粒效应影响，因此图形化分辨率可以很高（<30纳米）。图11(b-ii)显示了通过LSI制造的银纳米金字塔纳米结构。纳米金字塔的尖锐尖端源于LSI的高制造分辨率，与器件在表面增强拉曼散射（SERS）上的性能直接相关。LSI也适用于图形化硬金属，如图11(b-iii)所示的钛（Ti），其熔点为1668°C。

3.4.3 超声波压印 (Ultrasonic imprinting)超声波压印是另一种在室温下以纳米级分辨率图形化硬材料（如晶体金属）的方法。其工作原理如图11(c-i)所示。类似于手提钻（jackhammer），超声波压印方法使用高频超声冲击与纳米结构模具使材料变形，允许用户用几乎所有固体材料（无论其熔点、化学反应性和延展性如何）制造纳米结构。

通过超声波纳米压印，可以在1分钟内获得垂直排列的金属纳米线（金、银、锡和铜），具有不同的长度（100纳米-10微米）和直径（30纳米-300纳米）。纳米线的长度可以通过调整压印力和振动幅度来调节。同时，直径由压印模具决定。超声波纳米压印还允许制造由具有不同特性的不同材料组成的异质结纳米线，如图11(c-ii)所示。可以制造具有锡-金（Sn-Au）结的纳米线阵列，而不管熔点之间的显著差异。金属和塑料异质结也得到了证明。作为演示，制造的含有银-氧化铝-银（Ag-alumina-Ag）异质结的纳米棒被用作群体感应（quorum sensing）的SERS平台。

3.4.4 电化学纳米压印 (Electrochemical nanoimprinting)与之前列出的专注于物理压制和模塑的方法不同，电化学压印使用化学反应来实现图形化。这种方法允许直接图形化刚性材料，如半导体材料或金属。图11(d-i)说明了电化学压印的工作原理。将具有可移动阳离子的图案化超离子导体印章压在金属基板上。对系统施加电偏压后，触发电化学反应并氧化基板上的银原子，逐渐在基板上形成反相特征。这种方法允许制作200纳米的圆形图案，如图11(d-ii)所示。类似的想法可用于图形化半导体材料。当将涂有铂（Pt）薄膜的图案化聚合物模具压在n型砷化镓（n-GaAs）晶片上时，由于它们的功函数差异，在Pt/n-GaAs界面处形成本征电场，触发氧化还原催化的n-GaAs溶解，无需任何外部能量调制。

3.4.5 结论 (Conclusion)纳米压印光刻（NIL）在过去30年中取得了巨大进步。其优势——高分辨率、高通量、复杂的3D结构和一步图形化——使其成为一种适用于各种应用的独特技术。NIL目前正受到先进半导体制造代工厂的积极评估，利用其高分辨率和低拥有成本的优势。其3D能力也减少了半导体生产中金属互连层制造所需的工艺步骤。NIL在平面光学和增强现实（AR）眼镜等新兴光学应用中至关重要。其高分辨率能力使得能够制造高效率的超透镜，这些超透镜已经成功商业化。此外，3D图形化特性使NIL成为AR眼镜中衍射波导大规模生产的理想解决方案。NIL还广泛应用于晶圆级光学器件、显示技术、光电子学和生物医学应用。值得注意的是，在曲面上的纳米图形化等应用受益于NIL的柔性模具特性。

NIL中长期存在的缺陷问题在过去30年中已得到显著缓解。主要由异物颗粒引起的模具损坏导致的重复缺陷（在相同位置持续出现压印缺陷）已经得到解决。空气过滤、软模具压印和使用工作印章等方法已被广泛实施以防止这些重复缺陷。通常由空气滞留以及模具和基板之间非保形接触引起的随机缺陷，已通过高表面能抗蚀剂、基板保形压印和用于压制的空气缓冲等策略最小化。专注于模具制造、抗蚀剂开发、压印工具、模拟工具箱、缺陷检测和应用相关知识产权的专业公司已经建立了一个全面的NIL生态系统。

除了其制造优势外，NIL还具有重要的研究价值。它能够图形化各种材料，包括聚合物、介电溶胶-凝胶溶液、复合金属和晶体金属，提供多种功能。NIL还允许使用不同的模具调节聚合物分子链排列，从而提高器件性能。NIL中的压制过程可用于在纳米图形化过程中施加应变工程，这有助于提高载流子迁移率。此外，由于其高分辨率和低光刻引起的边缘粗糙度，NIL是制造高Q因子光学器件的理想选择。

展望未来，NIL面临着许多机遇。随着行业的成熟，拥有成本（CoO）预计将进一步降低。NIL的持续成熟将吸引更多的关注和资源，进一步扩展NIL的应用。

来源：Lin W-K, Guo LJ. 30 years of nanoimprint: development, momentum and prospects. Opto-Electron Technol 1, 250001 (2025). DOI: 10.29026/oet.2025.250001