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纳米压印技术科普（一）

1995年，华人科学家周郁（Stephen Chou）教授首次提出纳米压印光刻（Nanoimprint Lithography，NIL）概念，由此揭开了纳米压印制造技术的研究序幕。纳米压印是一种三维图案转移技术，其中“纳米”指向图案尺寸，而“压印”指向工艺流程，当然广义的纳米压印可涵盖微米级尺度。日常生活中，传统糕点的制作其实也是一种三维图案转移技术，只不过图案结构是肉眼可见的（图1）。

图1. 一种宏观的三维图案转移技术——传统糕点制作

根据压印胶固化方式的不同，纳米压印可分为热塑纳米压印、热固纳米压印和紫外纳米压印三种。周教授最初使用的即是以PMMA为代表的热塑性压印材料。而后其他科研人员引入了热固性和紫外纳米压印胶，极大地拓宽了纳米压印的应用范围。以目前占主导地位的紫外和热固性纳米压印为例，纳米压印的步骤概括如下（图2）：

Ø 涂胶：在基材或模板表面涂覆压印胶。

Ø 压印：将模板（或基底）与涂有压印胶的基材（或模板）对准后压合，使压印胶填充到模板的凹槽中。

Ø 固化：通过紫外光照射或加热使纳米压印胶发生聚合或交联反应，快速固化，从而将模板上的图案复制到压印胶上。

Ø 脱模：将模板与固化后的压印胶分离，此时压印胶上就留下了与模板图案结构相反的图案。

图2. 纳米压印过程

从某种角度上来说，纳米压印技术可视作是传统印章技术（或雕版印刷技术）的现代化和高精度化。因此只要通过两者的详细类比（表1和图3），即可快速地建立对纳米压印技术的基本理解。

Ø 首先是尺寸。印章上的图案尺寸较大，因此可以通过手工雕刻或机械加工成型，转印图案用的是印泥或墨水；而纳米压印用的模板图案尺寸较小，必须通过半导体里的光刻技术来加工母模板上的图案，转印介质可以是热固性热塑性的树脂，也可以是UV固化的纳米压印胶。

Ø 纸上复制得到的印章图案从功能上来说只是一个平面图形，用于防伪、认证和艺术欣赏；而纳米压印复制的图案则是三维立体图形，具有强大的功能性，最终可应用于光学、界面物理或化学、生物检测等多种场景。

Ø 纳米压印步骤可分为涂胶→压印→固化→脱模，每一步都需要一定的时间和设备；而印泥或墨水并不需要特定的固化过程，因此印章步骤少，只有蘸取印泥→盖章→取章三步，且盖章取章通常一气呵成。

Ø 印章图案只是从印章上进行的单次复制，盖在纸上的印章图案无法作为子模板再进行复制。而在纳米压印中，从母模板转印的子模板还可以作为新的母板进行再次转印，这点与盖章有着显著区别。纳米压印在多次复制过程中还需要注意区分正反结构（因正反结构会对最终应用产生重要影响），如模板是正结构，下一代转印样品必然是互补的反结构。在实际生产中需要明确目标产品是正结构还是反结构，相应地确定转印模板的代数以免出错。

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图3. 印章与纳米压印技术

纳米压印乍一看是微缩版的印章技术，然而实际难度不可同日而语。如图4所示，目前越来越多纳米压印应用要求小线宽（小于30 nm）、大面积（8寸、12寸或更大）、高深宽比（大于5:1）、特殊图案形状（各向异性）、薄残胶（小于20 nm）、极低缺陷（甚至无缺陷）、小复制形变（图案相对模板的尺寸变化误差<5%），同时还要兼顾模板的使用寿命（转印上百次甚至数百次）。单个性能要求或许不算苛刻，但想要同时达成以上数个目标，纳米压印技术的所有工艺流程的管控和细节优化将不可避免，其难度会几何级地增长。可以说纳米压印属于没有芯片加工的命（产业价值目前看不如），却得了芯片加工的病（细节管控类似），这使得纳米压印从业人员必须化解诸多难题后方能制作出实用的纳米压印产品。

（未完待续）