纳米压印技术
纳米压印技术
纳米压印技术纳米加工技术—纳米压印摘要：半导体器件的特征尺寸必需急剧减小才能满足集成电路迅速发展的需要，采用纳米加工技术可制备出纳米量级的图案及器件。
纳米压印作为纳米加工技术中具有较大潜力的一种工艺，采用非光学技术手段实现纳米结构图形的转移，有望打破传统光刻技术的分辨率极限。
本文从原理入手，介绍了纳米压印技术的分类、发展及应用。
文中所述内容有助于快速理解纳米压印技术的整体概况，对进一步改善纳米压印工艺的性能有着较重要的意义。
1 引言21世纪以来，由半导体微电子技术引发的微型化革命进入了一个新的时代，即纳米技术时代[1]。
纳米技术指的是制备和应用纳米量级(100nm以下)的结构及器件。
纳米尺度的材料性质与宏观尺度的大为不同。
比如块状金的熔融温度为1063℃，而2nm-3nm的纳米金粒子的熔融温度为130℃-140℃等。
功能结构的纳米化不仅节约了能源和材料，还造就了现代知识经济的物质基础。
纳米技术依赖于纳米尺度的功能结构与器件，而实现结构纳米化的基础是先进的纳米加工技术。
在过去几十年的发展中，纳米加工技术不仅促进了集成电路的迅速发展，实现了器件的高集成度，还可以制备分子量级的传感器操纵单个分子和原子等等。
纳米加工技术是人类认识学习微观世界的工具，通过理解这一技术可以帮助我们更好认识纳米技术以及纳米技术支撑的现代高科技产业。
纳米加工技术与传统加工技术的主要区别在于利用该工艺形成的器件结构本身的尺寸在纳米量级。
可以分为两大类[1]：一类是自上而下(top-down)的加工方式，即复杂的微观结构由平面衬底表面逐层建造形成，也可以理解为在已经存在材料的基础上进行特定加工实现纳米结构和器件。
目前发展较为成熟的纳米加工技术，如光刻(平面工艺)、纳米压印(模型工艺)、探针工艺等都属于此类加工技术。
此类加工方式大多涉及到某种方式的光刻制作图形与图形转移技术，可加工的结构尺寸受限于加工工具的能力。
传统的纳米加工工艺相当成熟，可基本满足各种微观结构的研究与生产需要。
纳米压印技术进展及应用
纳米压印技术进展及应用一、概述纳米压印技术，作为一种前沿的微纳加工技术，近年来在科研与工业界引起了广泛的关注。
该技术通过机械转移的方式，将模板上的微纳结构高精度地复制到待加工材料上，从而实现了对材料表面的纳米级图案化。
与传统的光刻技术相比，纳米压印技术不仅具有超高的分辨率，而且能够大幅度降低加工成本，提高生产效率，因此在微电子、生物医学、光学等众多领域展现出了广阔的应用前景。
纳米压印技术的发展历程可追溯至20世纪90年代中期，由美国普林斯顿大学的_______教授首次提出。
随着研究的深入和技术的不断完善，纳米压印技术已经逐渐从实验室走向了产业化。
纳米压印技术已经能够实现对各种材料的微纳加工，包括硅、金属、聚合物等，并且在加工精度和效率方面均取得了显著的进步。
在应用领域方面，纳米压印技术已经在半导体器件制造、生物医学传感器、光学元件制造等多个领域取得了成功的应用案例。
在半导体器件制造中，纳米压印技术可用于制造微处理器、存储器等微纳器件，提高器件的性能和可靠性；在生物医学领域，纳米压印技术可用于制造仿生材料、生物传感器等，为疾病的诊断和治疗提供新的手段；在光学领域，纳米压印技术可用于制造微纳透镜、光纤等光学元件，提高光学系统的性能。
纳米压印技术作为一种新型的微纳加工技术，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。
随着技术的不断进步和应用领域的不断扩展，纳米压印技术将在未来发挥更加重要的作用，推动科技和工业的快速发展。
1. 纳米压印技术的定义与基本原理纳米压印技术，作为一种前沿的微纳加工技术，正逐渐在微电子、材料科学等领域展现出其独特的优势。
该技术通过机械转移的方式，实现了对纳米尺度图案或结构的高效、精确复制，为制备具有纳米特征的结构和器件提供了强有力的手段。
纳米压印技术的基本原理在于利用压力和热力学效应，将具有纳米结构的模具上的图案转移到待加工材料表面。
制备一个具有所需纳米结构的模具，这一步骤通常依赖于电子束或光刻技术等高精度加工方法。
NA芯片技术的原理与
需要突破传统的光学检测方法，探索电学、电化学等新型检测手段。
技术优势与限制
高度并行性
NA芯片可以实现高通量、高并行性的 检测，一次可同时分析多个基因或蛋 白质样本。
01
02
灵敏度高
通过优化探针设计和信号转换技术， NA芯片具有较高的灵敏度，能够检测 低浓度的生物分子。
03
快速简便
NA芯片操作简便，检测时间短，适合 用于临床诊断、生物安全监测等领域。
用。
02
NA芯片技术原理
工作原理
生物分子识别
NA芯片通过生物分子识别技术，将特定的核酸序列与芯片上的探 针进行互补结合，实现对目标分子的捕获。
信号转换与检测
捕获目标分子后，芯片上的信号转换器将生物分子信号转换为可检 测的电信号，通过检测设备进行定量和定性分析。
数据处理与分析
芯片检测到的数据经过处理和分析，可提供关于基因组、转录组和 蛋白质组等方面的信息。
根据规格书进行逻辑设 计，包括算法设计、电
路设计等。
布图设计
将逻辑设计转换为物理 版图，进行布局和布线
设计。
制造工艺
晶圆制备
将高纯度硅晶棒切割成晶圆， 进行表面处理和清洗。
薄膜制备
在晶圆表面沉积薄膜材料，如 氧化硅、氮化硅等。
刻蚀工艺
通过物理或化学方法将不需要 的薄膜去除，形成电路和元件 结构。
掺杂与镀膜
NA芯片技术还可以用于智能传感器中，实现对环境参数的快速检测和实时反馈，提高生 产过程的智能化水平。
案例四：物联网领域应用
物联网领域应用
NA芯片技术在物联网领域的应用主要涉及传感器节点、网络通信等方面。通过NA芯片 技术，可以实现物联网设备的智能化和互联互通，促进物联网的发展和应用。
纳米压印概念
纳米压印概念纳米压印是一种新兴的纳米加工技术，也被称为“纳米印刷”。
它利用纳米级的印刷技术，可以在纳米尺度上进行精确的图案制作和复制。
纳米压印技术是一种重要的制备纳米结构材料的方法，具有很高的潜力和广阔的应用前景。
纳米压印的原理是利用压印模具对待加工表面进行压力作用，通过控制压力、温度和时间等参数，将模具上的图案或结构传递到被压制物体上，形成纳米级的结构。
纳米压印可以实现高分辨率、高精度的图案复制，其制备的纳米结构材料具有优异的物理、化学和光学性能。
纳米压印技术可以广泛应用于纳米器件的制备和表面纳米结构的制作。
在纳米电子学领域中，纳米压印可以用于制备纳米级晶体管、纳米线阵列和纳米电极等元器件。
在光学领域中，纳米压印可以制备具有特定光学性质的纳米结构，用于制造光学元件、光子晶体和纳米光学器件等。
在生物医学领域中，纳米压印可以制备具有特定形态和功能的纳米生物材料，用于药物传递、细胞培养和生物传感器等应用。
此外，纳米压印还可以用于制备纳米级图形、纳米标记和纳米阵列等领域。
纳米压印技术具有很多优点。
首先，它可以在大范围内实现纳米结构的高效制备，具有高度的可扩展性和可重复性。
其次，纳米压印可以制备复杂多样的纳米结构，包括多层薄膜、纳米线和纳米孔等。
此外，纳米压印技术还可以在多种材料上实现纳米结构的制备，如金属、半导体和聚合物等。
最后，纳米压印技术相对于传统的制备方法，具有低成本和高效率的优势。
然而，纳米压印技术也存在一些挑战和限制。
首先，纳米压印的模具制备和维护成本较高，需要使用昂贵的设备和材料。
其次，在纳米压印过程中，材料的性质和变形机制会对纳米结构的形成和复制产生影响，需要仔细控制制备条件。
此外，纳米压印技术对材料的选择和性能有一定要求，不适用于所有材料和结构的制备。
纳米压印技术在科学研究和工业生产中都具有重要的应用价值。
在科学研究方面，纳米压印可以帮助研究者深入理解纳米尺度下材料的物理和化学特性，推动纳米科学的发展。
纳米压印技术的发展及分类课件
3 Ref. Chou S Y, Krauss P R, Renstrom P J. Imprint of sub ‐
纳米压印技术的优势
光学光刻的分辨率受限于
纳米压印 ? 设备体积小 ? 成本相对较低 ? 生产效率高 ? 容易制备高深宽比图案
4
纳米压印技术的发展历程
2006, Stephen Chou, et al. 晶圆弯曲
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? 根据图形转移范围不同，纳米压印可分为全晶片(full wafer)压印、步进压印 和滚动压印。其中，步进压印主 要有步进快闪式(step and flash imprint lithography ，S-FlL) 和步进重复(step and repeat) 这两种压印工艺;滚动(卷对卷 和卷对板)压印工艺适合大规模生产，特别是卷对卷纳米 压印工艺，它是一种高效能、 低成本的连续化生产方式， 特别适合柔性薄膜压印。
纳米压印技术综述
绘梨衣
2018/11/01
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1. 纳米压印技术的背景 2. 纳米压印技术的分类 3. 纳米压印技术的现状和发展趋势
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纳米压印技术背景
纳米压印的基本原理：通过模板将图形转移到衬底上，转移 的媒介一般为聚合物薄膜，通过热压或紫外光固话的方法保 留下转移的图形，从而实现微纳结构的制造。
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? 根据压印模板不同，纳米压印可分为硬压印和软压印。 其中，硬压印的模板材料主要有石英、硅、氮化硅、金 刚石、类金刚石、复合材料等；软压印的模板材料主要 有PDMS 、PMMA 、PET、h-PDMS 、PUA 、PVA 、PVC、 PTFE、ETFE等聚合物。
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纳米压印技术的研究现状和趋势
纳米压印设备的工作原理
纳米压印设备的工作原理
纳米压印设备是一种利用纳米压印技术实现微纳米结构制备的设备。
其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 模板制备：首先需要制备具有所需微纳米结构的模板，可以通过电子束曝光、激光刻蚀等方法制备出高质量的模板。
2. 涂覆：将待加工的基材表面涂覆上一层称为预浸液的聚合物溶液，以形成一层均匀的涂层。
3. 压印：将制备好的模板与涂覆了预浸液的基材接触，并施加适当的压力，使模板中的微纳米结构转移至基材表面。
压印过程中，预浸液中的聚合物溶液会填充到模板的微纳米结构之间，以进一步增强模板与基材之间的接触。
4. 固化：压印完成后，需要对基材表面的微纳米结构进行固化，使其具有稳定的形状和性质。
固化可以通过热处理、紫外线照射等方式进行，促使预浸液中的聚合物发生交联反应，形成固体结构。
通过以上步骤，纳米压印设备可以实现对基材表面微纳米结构的高精度复制和制备，进而用于一系列领域，如纳米光学器件、纳米电子器件等。
纳米压印技术
2.3 软模板压印（SCIL）
软模板压印技术主要是为了解决在大面积基底 上使用硬质石英模板实现大面积均匀压印这一问题
由于使用很低的压力，很难在 大面积基底上实现均匀的接触
采用常规（PDMS）软模在大面积的直接接触过程中 也需要一定的压力去产生形变来配合基底的 不平整表面，均匀接触和压力下模板的变形成为 一种不可调和的矛盾
1.3 关键工艺步骤
• 1.模板制造 • 2.压印过程（模板处理，加压，脱模过 程） • 3.图形转移过程 • 4.相关材料研究（模板材料，衬底材料， 纳米压印胶）
2. 纳米压印工艺
2.1 热压印
• 首先在某一衬底 上涂一层胶，然 后在一定温度， 一定压力下，把 模板用机械力压 在胶上，降温后 把模板脱出，形 成所需图案。
2.4 逆压印技术
把光刻胶涂在模板上，然后在压在衬底 上利用这种方法非常容易实现多层压印 2.5 滚筒压印技术 把压印技术和滚轴印刷技术结合起来， 实现几平方米面积高产量压印
2. 纳米压印技术应用领域及 前景
应用领域 1.光刻技术替代者 2.集成电路领域 3.光学领域
制作高密度亚波长光栅，应用在金属起偏器上； 制备光子晶体等
4.存储领域
希捷公司采用热压印技术制备高密度光盘位 存储器
5.生物领域
目前，许多发达国家都把纳米压印 技术列入重点发展领域，很多公司都 在投入大量人力、物力开展纳米压印 设备制造，模板制造以及纳米压印的 应用的。纳米压印技术在中国虽然起 步很晚，但进展非常迅速，相信随着 社会的发展和进步，我国的在纳米压 印技术上会更上一层楼。
纳米压印技术
主要内容
1.纳米压印技术简介
1.1 压印技术 1.2 纳米压印技术 1.3 纳米压印关键工艺步骤 2.纳米压印工艺 2.1 热压印技术 2.2 紫外光固化压印（步进-闪光工艺） 2.3 软模板压印技术（SCIL） 2.4 逆压印技术 2.5 滚筒压印技术 3.纳米压印技术应用领域及前景
纳米压印技术
①
③
微 接 触
②
纳米压印技术 以上
• 首先在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料（如PMMA）。升温并达到 此热塑性材料的玻璃化温度Tg（Glass transistion temperature）之上。热 塑性材料在高弹态下，黏度降低，流动性增强，随后将具有纳米尺度的 模具压在上面，并施加适当的压力。热塑性材料会填充模具中的空腔， 在此过程中，热塑性材料的厚度应较模具的空腔高度要大，从而避免模 具与衬底的直接接触而造成损伤。模压过程结束后，温度降低使热塑性 材料固化，因而能具有与模具重合的图形。随后移去模具，并进行各相 异性刻蚀去除残留的聚合物。接下来进行图形转移。图形转移可以采用 刻蚀或者剥离的方法。刻蚀技术以热塑性材料为掩膜，对其下面的衬底 进行各向异性刻蚀，从而得到相应的图形。剥离工艺先在表面镀一层金 属，然后用有机溶剂溶解掉聚合物，随之热塑性材料上的金属也将被剥 离，从而在衬底上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。
模具 高分子热塑性材料 ①衬底 ③
热 塑
②
④
填充模具
各向异性刻蚀
紫外固化——S-FIL (Step-Flash Imprint Lithography)
• 采用对紫外透明的石英玻璃（硬模）或PDMS（软模），光阻胶 采用低粘度、光固化的单体溶液。先将低粘度的单体溶液滴在要 压印的衬底上，结合微电子工艺，薄膜的淀积可以采用旋胶覆盖 的方法，用很低的压力将模版压到晶圆上，使液态分散开并填充 模版中的空腔。透过模具的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生 聚合和固化成型。最后刻蚀残留层和进行图形转移，得到高深宽 比的结构。最后的脱模和图形转移过程同热压工艺类似。
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纳米压印技术李学明摘要：纳米压印技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，具有分辨率高、低成本、高产率的特点。
自1995年提出以来，纳米压印已经经过了14年的发展，演变出了多种压印技术，广泛应用于半导体制造、mems、生物芯片、生物医学等领域。
被誉为十大改变人类的技术之一。
关键词：纳米压印纳米技术微米纳米加工技术Overview of Nanoimprint LithographyTechnologyLi XuemingAbstract: Nanoimprint lithography is a low cost and high throughput mass manufacturing technology with sub-10nm resolution, while many other technologies suffer serious drawbacks. It has been 14 years since Stephen Y Chou released this idea in 1995. There are lots of technologies derived from imprint lithography, and are popular in semiconductor manufacturing, mems, biomchip, biomedicine field. Nanoimprint has been high praised as one of the ten emerging technologies that will change the world.压印这门古老的技术，从几千年前就为我们的生活带来了便利。
古代帝王的玉玺、四大发明的活体印刷，甚至是我们的中秋美食月饼，都是压印技术的完美应用。
硅器时代，同样是压印技术，也正为微电子行业带来了新的惊喜。
在半导体技术的发展过程中，器件的特征尺寸越来越小，光刻也变得越发复杂，而这也导致了下一代光刻(NGL, next generation lithography）的成本不断增加。
要继续追求特征尺寸的缩小，就需要光刻中曝光波长的减小，而涉及到曝光波长的变化，就需要光刻工具的更替，这种更替需要的花费极其昂贵，对于许多公司来说都是望而止步。
因此，许多研究机构都在努力寻找可替代的光刻技术。
1995年，华裔科学家周郁（Stephen Chou）提出了纳米压印光刻（NIL）的思想。
有别于传统的光刻技术，纳米压印将模具上的图形直接转移到衬底上，从而达到量产化的目的。
纳米压印光刻技术具有加工原理简单，分辨率高，生产效率高，成本低等优点。
Electron beam光刻虽然有很高的分辨率，但是由于其工艺产率低，不适合大批量生产；X-ray光刻产率高，但是这种光刻的掩膜板和曝光系统非常复杂且昂贵。
而纳米压印采用1：1比例的模版生成线宽，不用考虑图形转移受到分辨率限制的问题。
鉴于这些优点，纳米压印技术已经被国际半导体技术蓝图机构（ITRS）收录纳入在16nm节点上。
MIT的Technology Review于2003年发布的10 EMERGING TECHNOLOGIES THAT WILL CHANGE THE WORLD中，纳米压印也榜上有名。
长期以来，NIL受到了普遍的关注与推动，越来越多的研究机构和商业机构都开始加入这一领域。
目前NIL主要的商业机构有：Nanonex Corp，由Stephen Chou于2000年创立，Molecular Imprint Inc（MII），该公司的技术由德克萨斯大学授权，另外还有奥地利的EV Group、德国SUSS MicroTec以及瑞典Obducat。
NANOIMPRINT LITHOGRAPHYNIL的基本思想是通过模版，将图形转移到相应的衬底上，转移的媒介通常是一层很薄的聚合物膜，通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留下转移的图形。
整个过程包括压印和图形转移两个过程。
根据压印方法的不同，NIL主要可分为热塑（Hot embossing）、紫外固化UV和微接触（Micro contact printing，uCP）三种光刻技术。
FIG. 1. Schematic of nanoimprint lithography templates.Hot Embossing (HE)首先在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料（如PMMA）。
升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg（Glass transistion temperature）之上。
热塑性材料在高弹态下，黏度降低，流动性增强，随后将具有纳米尺度的模具压在上面，并施加适当的压力。
热塑性材料会填充模具中的空腔，在此过程中，热塑性材料的厚度应较模具的空腔高度要大，从而避免模具与衬底的直接接触而造成损伤。
模压过程结束后，温度降低使热塑性材料固化，因而能具有与模具的重合的图形。
随后移去模具，并进行各相异性刻蚀去除残留的聚合物。
接下来进行图形转移。
图形转移可以采用刻蚀或者剥离的方法。
刻蚀技术以热塑性材料为掩膜，对其下面的衬底进行各向异性刻蚀，从而得到相应的图形。
剥离工艺先在表面镀一层金属，然后用有机溶剂溶解掉聚合物，随之热塑性材料上的金属也将被剥离，从而在衬底上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。
热压方式最大的缺点在于模具在高温高压下，表面结构会或热塑性材料会有热膨胀作用，这将导致转移后图形尺寸的误差以及脱模的困难。
一般来说，特征尺寸越小，集成度越高，印章与聚合物之间的粘合力越大，使得脱模困难。
目前热压的重点方向在于如何提高大面积图形转印时的均匀性一集降低热变形效应。
目前这项技术的代表有Nanonex、Suss Microtec以及EVG等，其中Nanonex拥有专利最多。
FIG. 2. Schematic of nanoimprint lithography process: (1) imprinting using a mold to create a thickness contrast in a resist, (2) mold removal, and (3) pattern transfer using anisotropic etcing to remove residue resist inthe compressed areas.S-FIL (Step-Flash Imprint Lithography)为了改善热压印中热变形的缺点，特克萨斯大学的C. G. willson和S. v. Sreenivasan开发出步进-闪光压印（Step- Flash Imprint Lithography），这种工艺中采用对紫外透明的石英玻璃（硬模）或PDMS（软模），光阻胶采用低粘度，光固化的单体溶液。
先将低粘度的单体溶液滴在要压印的衬底上，结合微电子工艺，薄膜的淀积可以采用旋胶覆盖的方法，用很低的压力将模版压到晶圆上，使液态分散开并填充模版中的空腔。
透过模具的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。
最后刻蚀残留层和进行图形转移，得到高深宽比的结构。
最后的脱模和图形转移过程同热压工艺类似。
相对S-FIL工艺过程在低压和室温下进行，相对于热压印来说，不需要高温、高压的条件，可以廉价地在纳米尺度得到高分辨率的图形，步进-闪光压印使工艺和工具成本明显下降，且在其他方面和光学光刻质量相当。
然而这种工艺中，由于光刻胶的涂布过程中，没有经过加热的步骤，无法有效排除其中的气泡，在紫外曝光后会产生缺陷。
目前这项技术的代表有Molecular Imprint Inc，Obduct、EV Group以及Suss Microtec。
Fig. 3 Process Schematic for step and flash imprint lithographyuCP (Micro Contact Transfer Printing)：uCP技术由IBM和哈佛大学所提出，这种工艺与盖章的概念最为相近。
这种工艺采用弹性的印章将硫醇转移到镀金或银的表面上去。
将PDMS倒在包含图形的模具上，过程中模具可由光学或电子束光刻获得，也可以通过衍射栅、微机械结构一集其他微型结构的复制得到。
印章材料的化学前体在模具中固化，聚合成型后从模板中脱离，得到所需印章。
通常印章的材料为PDMS。
然后将PDMS印章与滴了墨的衬底上，墨溶液主要为硫醇。
将印章与衬底接触并浸没在墨溶液中，让印章充分沾上“墨汁”。
随后将浸有“墨汁”的印章盖在镀金的衬底上，墨汁会沾在镀金衬底上，衬底可为玻璃、硅、聚合物等材料。
只有与印章接触过的表面才能沾上硫醇溶液，硫醇会与金发生反应，形成自组装单分子层SAM。
硫醇分子会吸附有机分子，从而实现自组装。
另外，硫醇与金反应后，还可以采用湿法刻蚀的方法，如在氰化物溶液中，氰化物的离子促使未被SAM层覆盖的金溶解，而SAM能有效阻挡氰化物的离子，将被覆盖的金保留，即可实现图形转移。
uCP工艺不需要极为苛刻的实验环境，而且对表面平坦化也没有要求，相比光学光刻而言，更加方便和经济。
Figure 4. Schematic representation of microcontact transfer printing of a zeolite L-oriented monolayer from a glass (donor) surface to conductive (acceptor) surfaces.上述三种工艺为主流的三大纳米压印技术，主要特征比较如表一所示：表一纳米压印主流技术特征比较对于制造商来说，具体选择哪种工艺取决于其用途。
热压适合与光学或mems，而不是半导体制造中的应用。
热压需要衬底表面温度均匀，其成膜过程中使用的聚合物粘度高，为使聚合物在表面上均匀流动需要较高的压力，这种压力可能会导致晶片的变形；另外，热压工艺中需要加热和降温的循环过程，对于厚晶片来说进行图形转移非常耗时。
现在热压的研究方向正朝着低温方向发展。
UV-NIL具有步进图形转移功能，更适合于32nm及一下工艺的半导体制造。
低粘度聚合单体更加容易在结构复杂、线宽很小的表面上均匀流动。
所需相应压力也较低，可以大大减小晶片变形的几率和程度。
UV-NIL并不能直接将图形从模版转移到晶片，而是先将图形转移到转移层然后通过刻蚀反应在晶片上形成相应的图形。
其工艺过程与光刻非常相似。
图形转移层（抗刻蚀层）的纵宽比要求并不高（通常为2:1），因此可以尽可能减小抗刻蚀层的厚度。
MII的资料显示，通过后续刻蚀反应，纵宽比可以达到10:1。
uCP最有可能应用于生物医学，例如生物芯片。