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纳米压印光刻：从压印到刻蚀传递

2026-02-15

纳米压印的英语名称是Nanoimprint Lithography，除了 Nanoimprint 还有 Lithography。拆解 Lithography 这个词的希腊语词源，这个词由两个部分组成：Lithos意为“石头”。在 18 世纪末，这指的是用于平版印刷的石灰石板；而在现代半导体工业中，这块“石头”演变成了硅片（Silicon Wafer）。Graphy: 意为“画/刻/写”，历史上，它是油水分离的印刷术，结合在一起，Lithography 的原始含义就是“在石头上绘图”，而在石头刻画出的图案正好是印刷、压印的模板。

在半导体工业的早期，Lithography 几乎就是 Photolithography（光学光刻）的代名词。因为当时唯一能实现大规模量产的手段就是利用紫外光通过掩模版，在光刻胶上“写”出图案。随着摩尔定律向原子级尺度逼近，Lithography 的内涵发生了重大的泛化与演变，从“光”到“束”，为了追求更高的分辨率，行业引入了电子束光刻（E-beam Lithography）和离子束光刻（Ion-beam Lithography）。此时，虽然已经不再使用“光（Photo）”，但依然保留了 Lithography 的称呼，用以指代所有掩模/无掩模图案化的过程。在光刻工艺中，光刻胶（Photoresist）又被称为抗刻蚀剂，这个名字揭示了它的使命，它保护下方的材料抵抗（Resist）后续的化学或物理刻蚀的破坏。以光刻胶做掩模，通过刻蚀工艺，光刻胶上的图案才能最终精确地传递至目标衬底（如硅或二氧化硅）上。而在纳米压印技术中，纳米压印胶（Imprint Resist）与光刻胶的功能完全一致，因此，NIL 也被正式称作“纳米压印光刻”，表示它是一种Lithography技术。

在微纳制造领域，纳米压印技术与光刻技术看似目标相似，但在工艺细节上有着本质区别。今天，我们就从一个关键技术差异说起——残余层问题，以及它如何推动纳米压印走向与刻蚀相结合的完整工艺链。

核心差异：为什么纳米压印需要残余层的存在？

光刻工艺：经过曝光和显影后，图案区域的光刻胶被完全去除，无残留，可以直接作为刻蚀或离子注入的掩模。

纳米压印：压印完成后，在压印胶图案的凹槽底部会留下一层薄的“残余层”（Residual Layer, RL）。为什么纳米压印会产生残余层？在纳米压印工艺中，模板与衬底通常由硬质材料构成，为确保二者完全贴合，通常需施加超过一个大气压的压力。为了避免硬接触（Hard Contact）导致模板与衬底的机械损伤，实际操作中会使衬底上涂覆的压印胶体积略大于模板凹槽结构的总容积。当压印进行时，过量的压印胶在完全填充模板凹槽的同时，也会在模板凸起部与衬底之间形成一层薄薄的残余压印胶层。该残余层起到了缓冲保护作用，实现了模板与衬底的物理隔离（图1）。胶量过多会造成残余层过厚，反之，若压印胶充填量不足，在毛细作用力与表面张力的驱动下，液态的压印胶会发生局部收缩，导致模板填充不完全，从而产生不连续的压印缺陷（图2）。

图1：纳米压印流程示意图（蓝色虚线框内红色区域为压印残余层）

图2：涂胶过厚造成的厚残余层与胶膜过薄、胶量不够造成的结构不连续完整的压印缺陷

纳米压印胶的功能通常与传统光刻胶相似，除部分可直接应用的领域（如AR 光波导中在高折射率玻璃上直接压印高折射率材料）外，多数应用需通过“图形转移（Pattern Transfer）”将纳米结构刻蚀至衬底。与传统光刻相比，纳米压印必须额外增加一步反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching,RIE）工艺以去除残余层并暴露出衬底。这一步不仅增加了工艺流程的复杂性，且刻蚀过程中的横向刻蚀会降低纳米结构的保真度。为实现图形的高精度传递，理想状态下要求残余层薄且具有高均匀性。对于图形密度均匀的结构，这较易实现；但对于如“超构表面（Metasurface）”等具有变周期、变占空比特征的非均匀图形，由于胶量需求不均，极难获得厚度一致的残余层，这成为了制约非均匀微纳结构采用纳米压印技术加工的主要瓶颈（图3）。

图3：变周期结构压印后残余层厚度不均

残余层的控制

为了降低残余层对于刻蚀的影响，需要对残余层厚度进行控制。这里引入一个关键概念-“需胶量”，即在压印过程中，构成与模板完全互补结构所需要的胶材总量，如采用紫外光固化材料，一些情况还要考虑光固化材料的收缩率。需胶量可以由以下公式计算得到，胶材填充区域在最小重复单元内的占空比（f）由式（1-1）进行计算得到：

其中S_占是结构所占面积，S_总是最小重复单元总面积;（1-1）

由于压印前后胶材总量保持不变，需胶量可由式（1-2）计算得到：

其中h为结构高度;（1-2）

当匀胶厚度接近x时，可以实现低残余层压印，甚至是近无残余层的压印（图4）。然而，实现近无残余层压印对涂胶均匀性与厚度控制的要求极高，实际生产中往往具有一定的挑战性。为此，通常会选择略大于需胶量的匀胶厚度，再通过后续刻蚀去除多余部分。

涂胶方式会影响厚度控制：

(1)旋涂：最常用，厚度可通过胶材浓度和转速精细调节，但不适用于几微米以上的厚胶；

(2)喷墨：适用于局部图形化涂胶，控制胶材粘度与胶滴间距调控胶厚；

(3)滴胶：控制精度有限；

(4)狭缝涂布：通过调节流量、速度、狭缝间隙、胶粘度等多参数，可在较大范围内精确控制膜厚，但超薄薄膜涂布有难度；

图4：（a）低残余层压印;（b）近无残余层压印倾角视图;（c）近无残余层压印侧视图[1]

压印结合刻蚀的路径

根据不同的需求，压印转刻蚀可简要分为两种技术路线：（1）以胶为掩模，直接刻蚀衬底；（2）引入Lift-off工艺，获得硬掩模后刻蚀衬底。

路径一：以胶为掩模，直接刻蚀衬底

1、针对胶与衬底材料刻蚀选择比较高、所需刻蚀结构不深的情况：选择与刻蚀衬底具有较高刻蚀选择比的压印胶，单层胶压印后，以压印胶为刻蚀掩膜向下传递，最终获得与压印结构完全一致的形貌（图5）。需要注意的是，该工艺对于压印胶材的刻蚀选择比有较高的要求。

图5：（a）单层胶压印转刻蚀流程示意图；（b）压印胶为掩模刻蚀后硅微透镜光学显微镜照片；（c）压印胶为掩膜刻蚀后140 nm周期、70 nm线宽二氧化硅光栅

2、针对需要刻蚀深度较大的情况，需要更高的胶掩模层：如果选择具有高深宽比结构的模板，虽然可以保证压印结构后续的刻蚀传递，但该种结构会使得脱模难度增加、模板和衬底结构容易被破坏。因此，可在压印胶下方引入传递层，采用双层胶工艺。先在上层压印出浅图形，再通过刻蚀将图形传递至下层，获得具有高深宽比的刻蚀胶掩模，最后刻蚀衬底（图6）。这样既降低了压印难度，又实现了高深宽比结构。

图6：双层胶刻蚀后的SEM照片[2]

对于更难刻蚀的材料（如碳化硅），可在衬底上预先沉积一层硬掩模（如金属铬），再通过压印与刻蚀实现硬掩模图形化，最终以硬掩模为掩模层刻蚀衬底。为了减少高掩膜在刻蚀时的遮蔽作用，在刻蚀衬底前可以去除胶掩模，只留下硬掩模（图7）。需要注意的是，压印胶需要与传递层具有较高的刻蚀选择比，以确保在传递层刻蚀的过程中掩模完整，使得结构得以完整传递。该路径刻蚀结束后得到的结构与压印图案一致。

图7：以胶为掩模刻蚀衬底工艺流程图

路径二：引入Lift-off工艺，获得硬掩模后刻蚀衬底

针对硬掩模刻蚀存在困难的等情况下，硬掩模的制备可以采用Lift-off（举离）工艺，该工艺与传统的双层胶工艺的区别在于，选择的传递层除了与压印胶具有较大的刻蚀选择比，还需要可以被溶剂清洗后去除。这种方法比较适合制备金属硬掩模，避免了金属刻蚀的困难。以碳化硅刻蚀工艺为例，工艺流程如图8所示，先利用双层胶工艺制备出胶掩模，然后利用各向异性的沉积方式获得金属层，随后利用适配的溶剂清洗去除胶层以获得图案化的硬掩模层，最后进行衬底材料的刻蚀。该路径刻蚀结束后得到的结构与压印图案互补。

图8：纳米压印和刻蚀用于硬掩模制备示意图

该工艺除了实现衬底刻蚀，适当增加和调整传递层的种类，还可以实现金属粒子的制备。以铁-金纳米纳米盘的制备为例，在压印胶与举离层之间引入一层硬质掩模层，在利用纳米压印实现表面图案化后，引入底切刻蚀（Undercut Etching）技术，在刻蚀完成后形成T形纳米柱（图9红色虚线框内放大图），这种T形结构不仅可以为金属沉积提供稳定的顶部平台，在金属沉积时，T形结构的帽子层可以有效遮挡金属，使下侧的举离层与金属层之间存在一定的空隙，从而避免金属的侧壁沉积，使得后续的Lift-off工艺可以顺利进行，不会出现举离层无法去除的情况。

图9：（a）基于纳米压印制备涡旋态铁-金纳米粒子的工艺流程图；（b）金属沉积后纳米柱SEM俯视图（上）和侧视图（下）；（c）举离后铁-金纳米粒子SEM俯视图（下）

实际应用场景

这种压印转刻蚀工艺特别适合：

高深宽比结构（如深硅刻蚀）

微透镜阵列

复杂材料体系（如化合物半导体、介质光学材料）

多台阶结构或三维集成器件等

结语

从解决残余层问题开始，到应对高深宽比结构的挑战，压印结合刻蚀技术已经发展成一套成熟、系统的微纳制造方案。它可能不是最直接的路径，但在许多场景下，却是最切实可行的选择。

技术的价值不在于是否“一步到位”，而在于能否可靠地解决问题。这种“先压印、再刻蚀”的思路，实际上是把一个复杂工艺分解为多个可控步骤：将高深宽比结构的制造分解为“浅压印+深刻蚀”，将复杂材料的图案化过程转化为“易加工掩模+选择性刻蚀”，这种思路不仅提高了工艺灵活性，降低了产品加工难度，同时也大幅提升了成品率。

[1] Appl. Phys. A121, 371-375 (2015).

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

璞璘科技（杭州）有限公司

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