納米壓印技術(shù)的分類和優(yōu)勢

引言

在探索微觀世界的奧秘中，納米技術(shù)以其獨(dú)特的尺度和潛力，開啟了一扇通往未知領(lǐng)域的大門。納米壓印技術(shù)（Nanoimprint Lithography, NIL），作為納米制造領(lǐng)域的一項(xiàng)高精度的微納加工技術(shù)，通過在極小的尺度上復(fù)制復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，具有高分辨率、低成本、易量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。不僅為科學(xué)家們提供了一種全新的工具，也為未來的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革奠定了基礎(chǔ)。

去年日本佳能推出的FPA-1200納米壓印半導(dǎo)體制造設(shè)備，該NIL技術(shù)可實(shí)現(xiàn)最小線寬14nm的圖案化，相當(dāng)于5nm節(jié)點(diǎn)。隨著掩模技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，NIL有望實(shí)現(xiàn)2nm節(jié)點(diǎn)。以及目前AR/VR的持續(xù)火熱，納米壓印技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。本文為您介紹關(guān)于納米壓印技術(shù)的核心原理、關(guān)鍵優(yōu)勢、面臨挑戰(zhàn)，以及水晶在納米壓印領(lǐng)域做的產(chǎn)品展示。

核心原理：從宏觀到微觀的精確復(fù)刻

納米壓印技術(shù)的起源于1995年，由華裔科學(xué)家周郁（Stephen Chou）教授首次提出這一概念。納米壓印技術(shù)的基本原理是通過物理接觸的方式，利用帶有微納結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)模板（通常由硅、石英或金屬制成），在軟性聚合物材料上施加壓力，同時(shí)結(jié)合溫度或紫外線固化，實(shí)現(xiàn)高精度的納米級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)制。

這一過程既借鑒了傳統(tǒng)印刷的原理，又融合了現(xiàn)代材料科學(xué)與微納加工技術(shù)，能夠在極小的空間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和功能化表面的制造。這種技術(shù)克服了光學(xué)曝光技術(shù)中光衍射現(xiàn)象造成的分辨率極限問題，展示了超高分辨率、高效率、低成本、適合工業(yè)化生產(chǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢。

納米壓印技術(shù)的分類

目前成熟且常用的納米壓印技術(shù)工藝主要有：熱壓印、紫外壓印和微流體壓印，它們?cè)趹?yīng)用、原理和特點(diǎn)上有所區(qū)別。

熱壓?。℉ot Embossing）

原理：熱壓印技術(shù)利用熱軟化的聚合物材料作為壓印介質(zhì)，通過加熱使其變得柔軟，然后施加壓力使其與模具表面貼合，形成所需納米級(jí)圖案。

特點(diǎn)：熱壓印可以用于硬質(zhì)和軟質(zhì)材料，具有高分辨率和高復(fù)制性。但需要精確控制溫度和壓力，以避免材料的過度流動(dòng)或損傷。

熱壓印流程（來源EVG官網(wǎng)）

紫外壓?。║ltraviolet Nanoimprint Lithography, UV-NIL）

原理：紫外壓印技術(shù)在熱壓印的基礎(chǔ)上，引入紫外光固化過程。在壓印過程中，紫外光照射使聚合物材料固化，形成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)。

特點(diǎn)：紫外壓印可以提高生產(chǎn)效率，因?yàn)楣袒^程可以快速進(jìn)行，而且固化后的圖案具有更好的穩(wěn)定性和耐久性。此外，UV-NIL適用于多種材料，包括熱敏感材料。

紫外壓印流程（來源EVG官網(wǎng)）

微流體壓?。∕icrofluidic Nanoimprint Lithography, μ-NIL）

原理：微流體壓印技術(shù)結(jié)合了微流體學(xué)和納米壓印技術(shù)，通過微流體通道控制流體的流動(dòng)和分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的精確控制。

特點(diǎn)：微流體壓印特別適合于大面積和高通量的納米結(jié)構(gòu)制造，可以精確控制材料的分布和固化過程。它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其有用，例如用于細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程。

微流體壓印流程（來源EVG官網(wǎng)）

每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，選擇哪一種技術(shù)取決于所需/的材料特性、圖案的復(fù)雜性、生產(chǎn)效率和成本等因素。例如，熱壓印可能更適合于硬質(zhì)材料，而紫外壓印則適用于需要快速固化的應(yīng)用。微流體壓印則在需要精確控制材料流動(dòng)和分布的場合更為合適。

相對(duì)于光刻技術(shù)的優(yōu)勢

復(fù)制工藝簡單：與光刻技術(shù)相比，納米壓印不需要復(fù)雜的曝光系統(tǒng)，通過物理接觸的方式直接將模板上的結(jié)構(gòu)復(fù)制到材料上，簡化了制造過程，非常適合在一些要求不高的新興領(lǐng)域的應(yīng)用性價(jià)比非常高。

低成本：納米壓印技術(shù)省略了光刻中所需的高成本光源和復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，通過簡單的紫外曝光實(shí)現(xiàn)圖案復(fù)制；在某些應(yīng)用中，納米壓印可以直接形成最終產(chǎn)品，無需后續(xù)的刻蝕步驟，進(jìn)一步降低了成本和生產(chǎn)時(shí)間。

3D結(jié)構(gòu)制造能力：納米壓印技術(shù)能夠一次性制造出具有3D結(jié)構(gòu)的圖形，這是傳統(tǒng)光刻技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。光刻技術(shù)加工一些3D結(jié)構(gòu)（如金字塔結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)等），其難度和成本都非常高。因此可以利用光刻和納米壓印相結(jié)合，先用光刻技術(shù)制作出3D母版，再進(jìn)行批量壓印生產(chǎn)，這種效率和成本是光刻無法匹敵的。

大面積柔性襯底上的微結(jié)構(gòu)加工：納米壓印技術(shù)適合大規(guī)模并行生產(chǎn)，能夠同時(shí)制造大量器件，提高生產(chǎn)效率。如大面積納米壓印技術(shù)支持連續(xù)的卷對(duì)卷（Roll-to-Roll）的加工方式，適合于大批量生產(chǎn)和工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

這些優(yōu)勢使得納米壓印技術(shù)在特定應(yīng)用領(lǐng)域，如半導(dǎo)體制造、光學(xué)器件、LED制造、生物醫(yī)學(xué)檢測等，展現(xiàn)出了替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)光刻技術(shù)的潛力。

納米壓印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

雖然前面提到了不少納米壓印技術(shù)的優(yōu)勢，甚至被奉為新的行業(yè)希望，但納米壓印也存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

Particle控制問題：納米壓印是通過物理接觸方式加工，容易引入外來的細(xì)小垃圾和灰塵等particle，尤其是在集成電路方面的應(yīng)用，細(xì)小的particle會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品短路。要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，必須進(jìn)行制造技術(shù)和運(yùn)用方面的改良，嚴(yán)格控制好particle。

對(duì)準(zhǔn)精度不高：壓印模板需要與承載壓印膠的基臺(tái)精確對(duì)準(zhǔn)與貼合，但壓印有過程中有垂直或者左右方向的壓印運(yùn)動(dòng)，所以會(huì)帶來多方向的偏差。目前雖然Canon最新設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)可以達(dá)到納米級(jí)別，但是大多數(shù)的壓印設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)精度仍處于微米級(jí)別，遠(yuǎn)不如光刻設(shè)備。

壓印底膠問題：如在壓印占空比差異較大的結(jié)構(gòu)時(shí)，壓印后底膠會(huì)很不均勻；如果是壓印完直接做功能性產(chǎn)品可能影響不大；但是如果是需要壓印再刻蝕，會(huì)嚴(yán)重影響刻蝕；由于這種結(jié)構(gòu)往往追求高折射率的壓印膠，而現(xiàn)有的高折射率壓印膠會(huì)在膠中摻入一些氧化鈦或者氧化鋯納米顆粒，這會(huì)導(dǎo)致使用等離子去除底膠變得困難，這限制了納米壓印更廣泛。

水晶納米技術(shù)應(yīng)用展示

隨著水晶在微納光學(xué)領(lǐng)域的不斷深入研究，在納米壓印方面取得了一系列的技術(shù)成果，也為客戶提供了更豐富的定制化解決方案。以下是水晶在微納光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)具體產(chǎn)品如DOE/Diffuser/PBS/菲尼爾透鏡/金屬光柵/斜光柵等方面的應(yīng)用實(shí)例:

展望

納米壓印技術(shù)作為納米科技領(lǐng)域的一次革命性突破，正逐步滲透到各個(gè)高科技產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)著從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用的全方位創(chuàng)新。隨著技術(shù)的不斷成熟和完善，納米壓印技術(shù)已經(jīng)在LED、屏幕顯示、DNA測序、AR/VR、傳感等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并且預(yù)計(jì)在未來將有更廣泛的應(yīng)用。納米壓印技術(shù)必將在未來的精密制造領(lǐng)域扮演更加重要的角色，為人類社會(huì)的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)貢獻(xiàn)不可估量的力量。

微納研究所

水晶光電微納研究所，專注于微納光學(xué)新產(chǎn)品市場技術(shù)調(diào)研及研發(fā)工作。通過自編算法與設(shè)計(jì)，配備同行業(yè)高端設(shè)備，具備芯片鍍膜、晶圓光刻、干/濕法刻蝕、納米壓印等核心技術(shù)開發(fā)和量產(chǎn)能力。目前微納所已開發(fā)的產(chǎn)品包括DOE、擴(kuò)散片、PBS偏振片、超透鏡等，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、車載HUD等領(lǐng)域，可以根據(jù)客戶需求提供從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)到量產(chǎn)制造一站式服務(wù)。