兰红波：潜心纳米压印
纳米压印技术
摘要半导体加工几十年里一直采用光学光刻技术实现图形转移,最先进的浸润式光学光刻在45 nm节点已经形成产能,然而,由于光学光刻技术固有的限制,已难以满足半导体产业继续沿着摩尔定律快速发展。
在下一代图形转移技术中,电子束直写、X射线曝光和纳米压印技术占有重要地位。
其中纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单的优点,是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。
介绍了传统纳米压印技术以及纳米压印技术的新进展,如热塑纳米压印技术、紫外固化纳米压印技术、微接触纳米压印技术等。
关键词:纳米压印；气压辅助压印；激光辅助压印；滚轴式压印AbtractTransfer of graphics is achived by oplical lithography for several decades in semiconductorprocess. The prodution capacity of 45 nm node has been formed. But now semiconductor industry is difficult to be developed according toMoore law because of the inherent limitations of oplical lithograhy. Nowelectron - beam directwriting, X - ray exposure and nanoimprint technology are the main technologies fornext generation graphics transfer technology. Nanoimprint technology has the advantages of high yield, lowcost and simple process. Introduce the traditional nanoimprint technology and its development, includinghot embossing lithography technology, ultraviloet nanoimprint,micro - contact nanoimprint.Key words:Nanoimprint lithography；Pressure-assisted nanoimprint；Laser-assisted nanoimprint；Roller-type nanoimprint- i -目录第1章绪论 (1)第2章纳米压印的技术方法..........................错误！未定义书签。
滚型纳米压印工艺的研究进展和技术挑战
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ３ ２ ０ １ ３
青 岛 理 工 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｑｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
滚 型 纳 米 压 印 工 艺 的研 究进 展 和 技 术 Ｉ ｔ ｉ ｓ ｗｅ ｌ １ ｋ ｎ ｏ ｗｎ ｔ ｈ ａ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ － ｔ ｙ ｐ ｅ ｎ ａ ｎ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｉ ｎ ｔ ｌ ｉ ｔ ｈ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ（ ＮＩ Ｌ）ｉ ｓ ａ ｎ ｅ ｍｅ ｒ ｇ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｔ —
中图分类号 ： Ｔ Ｎ３ ０ ５ ． ７ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ４ ６ ０ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ０ ７ ９ — ０ ７
Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｉ ｎ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ － ｔ ｙ ｐ ｅ ｎ ａ ｎ ｏ ｉ ｍ ｐｒ ｉ ｎ ｔ ｌ ｉ ｔ ｈ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈｙ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｃ ｈ ａ ｌ ｌ ｅ ｎｇ ｅ
李朝 朝 ， 兰 红 波
（ 青岛理工大学 纳米制造和光 电子实验室 ， 青岛 ２ ６ ６ ０ ３ ３ ）
摘
要： 滚型纳米压 印光刻 是一种高效 、 低成本制造 大面积微 纳米结构 的新 型图形化 方法 ， 不 同于传统的平板
式纳米压印工艺 ， 滚型纳米 压印具有高效 、 连续压 印独特 的优势． 它在抗反射光学薄膜 、 太 阳能电池 、 柔性电子 器件 、 ＯＩ Ｅ Ｄ、 大尺寸 Ｌ Ｃ Ｄ显示 、 微 流控器件等领域已经展示了 巨大 的潜 能和商业化应 用前景． 综述 了滚型 纳 米压印工艺 的最新研究进展 ， 并讨论 了其面临 的挑 战性技术难题 、 未来的发展趋势和工业化应用前 景． 关键词 ： 纳米压 印 ； 滚型纳米压 印； 滚对滚纳米压 印； 纳米制造
纳米压印技术在器件制造中的应用
纳米压印技术在器件制造中的应用在当今科技飞速发展的时代，器件制造领域不断追求更小的尺寸、更高的性能和更低的成本。
纳米压印技术作为一种新兴的微纳加工技术，凭借其独特的优势，在器件制造中展现出了广泛而重要的应用前景。
纳米压印技术的原理其实并不复杂。
它主要是通过将具有纳米结构的模板压印在涂有聚合物或其他材料的基底上，从而实现纳米级图案的复制。
这种技术就像是用印章盖章一样，只不过这个“印章”上的图案极其微小，达到了纳米级别。
在半导体器件制造中，纳米压印技术发挥着关键作用。
传统的光刻技术在制造更小尺寸的半导体器件时面临着诸多挑战，比如成本高昂、工艺复杂等。
而纳米压印技术能够有效地解决这些问题。
它可以用于制造更小线宽的集成电路，提高芯片的集成度和性能。
通过精确控制压印过程中的压力、温度和时间等参数，可以实现高精度的纳米图案转移，从而生产出性能更优越的半导体器件。
在光学器件制造方面，纳米压印技术也具有显著的优势。
例如，用于制造衍射光学元件，这些元件能够对光进行精确的控制和调制。
通过纳米压印技术，可以在光学材料表面形成周期性的纳米结构，从而实现特定的光学功能，如分光、聚焦和滤波等。
此外，还可以制造高分辨率的光学传感器，提高光学检测的灵敏度和准确性。
在数据存储领域，纳米压印技术为提高存储密度提供了新的途径。
传统的磁存储和光存储技术在追求更高存储密度时遇到了物理极限。
纳米压印技术可以制造出纳米级的存储单元，大大增加了单位面积内的数据存储量。
这意味着我们能够在更小的空间内存储更多的数据，为大数据时代的发展提供了有力的支持。
在生物传感器制造中，纳米压印技术同样具有重要意义。
它可以在生物传感器表面制造出纳米级的结构，增加传感器与生物分子的接触面积，提高检测的灵敏度和特异性。
例如，用于制造基因检测芯片和蛋白质检测芯片，能够快速准确地检测出生物体内的微量物质，对于疾病的早期诊断和治疗具有重要的意义。
然而，纳米压印技术在实际应用中也面临一些挑战。
纳米压印技术概述
随着科技的进步和发展，人们从理论和实验研究中发现，当许多材料被加工为具有纳米尺度范围的形状时，会呈现出与大块材料完全不同的性质。
这些特异的性质向人们展现了令人兴奋的应用前景。
而在开发超大规模集成电路工艺技术的过程中，人们已经开发了一些能够进行纳米尺度加工的技术，例如电子束与X射线曝光，聚焦离子束加工，扫描探针刻蚀制技术等。
但这些技术的缺点是设备昂贵，产量低，因而产品价格高昂。
商用产品的生产必须是廉价的、操作简便的，可工业化批量生产的、高重复性的；对于纳米尺度的产品，还必须是能够保持它所特有的图形的精确度与分辩率。
针对这一挑战，美国“明尼苏达大学纳米结构实验室”从1995年开始进行了开创性的研究，他们提出并展示了一种叫作“纳米压印”(nanoimprint lithography) 的新技术[1]。
纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起人们的高度重视.一纳米材料的概述：从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底的相互关系、分子操作与分子器件的构筑，并通过具体的例证加以阐述，包括在STM 操作下单分子反应有机小分子在半导体表面的自指导生长; 多肽-半导体表面特异性选择结合.生物分子/无机纳米组装体、光驱动多组分三维结构组装体、DNA 分子机器。
所谓纳米材料指的是具有纳米量级从分1~100 nm 的晶态或非晶态超微粒构成的分子识别走向分子信息处理和自组织作用的固体物质。
纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单的优点，是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。
纳米压印技术主要包括热压印、紫外压印(含步进—闪光压印)和微接触印刷等。
本文首先描述了纳米压印技术的基本原理，然后介绍了传统纳米压印技术的新进展，如气压辅助纳米压印技术、激光辅助压印技术、静电辅助纳米压印技术、超声辅助纳米压印技术和滚轴式纳米压印技术等。
最后特别强调了纳米压印的产业化问题。
我们希望这篇综述能够引起国内工业界和学术界的关注，并致力于在中国发展纳米压印技术。
纳米压印技术
高保真度
几乎无差别的将掩模板上的图形转移到wafer上.
纳米压印可望成为一种工业化生产技术，从根本上解决各种纳米器件
生产。
2020/3/13
7
微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
应用领域：
半导体加工 作量子磁碟 DNA 电泳芯片 GaAs 光检测器 波导起偏器 硅场效应管 2020/3/13
纳米压印技术
(Nanoimprint Lithography)
微纳加工技术及微纳器件
段智勇 2020/3/13
微纳科学技术
主要内容
1. 为什么要研究纳米压印技术.
2. 纳米压印技术实现的方式.
3. 纳米压印技术亟待解决的问题.
4. 课题组研究工作及进展.2020/3132微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
2. 图形转移(pattern transfer)
在一块基片(通常是硅片) 上“涂”( spin :旋覆) 上一层聚合物(如 PMMA ，聚甲基丙烯酸甲脂)。
已刻有目标纳米图形的硬“印章”(如二氧化硅“图章”) 在一定的 温度(必须高于聚合物“软化”温度(glass - transition temperature) ，和压力下去“压印”(imprint ) PMMA 涂层。
2020/3/13
Appl. Phys. Lett., 67 (21), 3114 (1995).
14
微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
超声纳米压印技术
热压印的改进，利用超声波加热介质聚合物。 中国台湾清华大学首次提出。
2020/3/13
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
纳米压印光刻技术
纳米压印光刻技术纳米压印技术是美国普林斯顿大学华裔科学家周郁在20世纪1995年首先提出的。
这项技术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点,已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。
目前该技术能实现分辨率达5nm以下的水平。
纳米压印技术主要包括热压印、紫外压印以及微接触印刷。
纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法,它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上,然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。
1、热压印技术纳米热压印技术是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法。
该技术在高温条件下可以将印章上的结构按需复制到大的表面上,被广泛用于微纳结构加工。
整个热压印过程必须在气压小于1Pa的真空环境下进行,以避免由于空气气泡的存在造成压印图案畸变,热压印印章选用SiC材料制造,这是由于SiC非常坚硬,减小了压印过程中断裂或变形的可能性。
此外SiC化学性质稳定,与大多数化学药品不起反应,因此便于压印结束后用不同的化学药品对印章进行清洗。
在制作印章的过程中,先在SiC表面镀上一层具有高选比(38&1)的铬薄膜,作为后序工艺反应离子刻蚀的刻蚀掩模,随后在铬薄膜上均匀涂覆ZEP抗蚀剂,再用电子束光刻在ZEP抗蚀剂上光刻出纳米图案。
为了打破SiC的化学键,必须在SiC上加高电压。
最后在350V的直流电压下,用反应离子刻蚀在SiC表面得到具有光滑的刻蚀表面和垂直面型的纳米图案。
整个热压印过程可以分为三个步骤：(1)聚合物被加热到它的玻璃化温度以上。
这样可减少在压印过程中聚合物的粘性,增加流动性,在一定压力下,就能迅速发生形变。
但温度太高也没必要,因为这样会增加升温和降温的时间,进而影响生产效率,而对模压结构却没有明显改善,甚至会使聚合物弯曲而导致模具受损。
同时为了保证在整个压印过程中聚合物保持相同的粘性,必须通过加热器控制加热温度不变。
纳米压印技术的基本方法及其应用
纳米压印技术的基本方法及其应用摘要：纳米压印技术具有加工成本低，使用设备简单，制备周期短等优点，是目前纳米沟道加工的主要技术。
本文介绍了纳米压印技术中热压印、紫外固化压印和微接触等三种典型的压印工艺及其关键技术，并对三种工艺方法的优缺点进行对比说明，总结了纳米压印技术的应用领域，最后对该技术的发展进行了总结和展望。
关键词：纳米压印技术热压印紫外固化压印微接触中图分类号：TH161The Main Method and Application of Nanoimprint Technology Abstract: Nanoimprint technology which has low cost, simple device and Short production cycle is the main technology in Nano-channel production. This article describes the typical embossing process and key technologies of Hot embossing, UV-curable Nanoimprint Lithograhpy and Micro-contact printing, introduce the advantages and disadvantages of these three methods by contrast, Summarizes the applications of nanoimprint technology, finally summarize and prospect the development of nanoimprint technology.Keywords:Nanoimprint technology Hot embossing UV-curable Micro-contact printing0 前言纳米压印技术是目前纳米沟道加工的主要技术。
面向大面积微结构批量化制造的复合压印光刻
面向大面积微结构批量化制造的复合压印光刻兰红波; 刘明杨; 郭良乐; 许权【期刊名称】《《光学精密工程》》【年(卷),期】2019(027)007【总页数】12页(P1516-1527)【关键词】复合微纳米压印光刻; 大面积纳米压印; 复合软模具; 非平整衬底; 大面积微结构【作者】兰红波; 刘明杨; 郭良乐; 许权【作者单位】青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心山东青岛 266520【正文语种】中文【中图分类】TN305.71 引言有机光电子元器件、平板显示器、微透镜、生物芯片、有机太阳能电池以及自洁防雾玻璃等领域相关产品的生产制造中，需要在大尺寸(8英寸以上)硬质基板以及翘曲或易碎衬底上批量化制造出大面积高分辨率微纳米图形结构。
但目前为止，大多数微纳米制造方法(例如电子束光刻、全息光刻、激光干涉光刻等)无论在技术层面(诸如在非平整易碎衬底表面制造大面积微纳米结构)还是在工艺和生产成本等方面都面临很多缺陷和不足，难以满足工业级批量化生产的要求[1-6]。
由Stephen Y. Chou提出的纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)技术是一种崭新的微纳米图形复制工艺。
它与目前的投影式光刻以及未来的光刻技术相比较而言，能够克服分辨率极限的问题，有着成本低、适合工业化生产的优势。
另外，NIL还能够在大尺寸弯曲或者翘曲基板上制备复杂微纳米图案，特别是利用柔性模具的紫外压印工艺能够实现易碎、非平整基底上的大面积微纳米图案或结构制备[7-12]。
大面积纳米压印当前主要分为滚对平面纳米压印(Roll-to-Plate NIL)[13-14]、滚对滚纳米压印(Roll-to-Roll NIL)[15-17]、以及整片晶圆纳米压印(Full Wafer NIL)[18-19]三种方式。
其中，滚对平面纳米压印按模具类型分为辊轮型模具压印与平板型模具压印，辊轮型模具压印工艺要求硬质基板的平整度较高(在非平整基板或易弯曲的衬底上压印较难实现)，压印的均匀性与一致性差，而且制造辊轮型模具也存在一定的困难，特别是在制造纳尺度无缝(无拼接)辊轮型模具方面，目前的工艺方法几乎难以实现；平板型模具滚对平面压印工艺只能完成压印这一步骤，铺放模具(覆模)和脱模等步骤还须设立专门的模块，而且还存在脱模困难、成本高、效率低以及设备复杂等诸多问题，尤其是目前的压印面积也较小，对于实现大尺寸硬质基材上的大面积微纳图形化还比较困难。
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兰红波：潜心纳米压印
作者：暂无
来源：《科学中国人》 2014年第7期
本刊记者廖潇莎
科学研究应该坚持“顶天立地”。
所谓“顶天”即是瞄准国际研究前沿，不断创新，创造
高端领先的技术成果；“立地”指的则是科研成果的产业化，解决国家和社会的需求，服务于
社会。
近10年来，兰红波一直潜心纳米压印技术的基础研究和工业化应用，在纳米压印研究领域不断创新，始终秉持“顶天立地”做科研的理念，用纳米压印技术改变我们生活和创新未来。
瞄准广阔前景，潜心纳米压印
说起纳米压印，您可能不清楚。
但是，如果说平板电脑、笔记本、高清电视、监控摄像头、柔性电子等众多消费电子产品，以及量子通信、高亮度LED、闪存、CPU等您肯定熟悉。
没错，这一技术就是21世纪最具发展
潜力的高新技术——微纳技术。
目前，它已经成为未来10年的战略性新兴产业，也是高新技术产业发展新的增长点，是支撑新一代信息技术、节能环保、生物医疗、新材料、新能源等战略
性新兴产业的基础和关键。
据兰红波介绍，微纳米结构制造（微纳米图形化）被认为是微纳制造技术的核心，尤其是
高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的工艺和装备是实现微纳器件和产品从实验室走向
大规模工业化应用的根基。
与现有的其它微纳结构制造技术相比，纳米压印光刻在高效、低成
本批量化制造大面积微纳结构方面已经显示了突出的潜能和显著优势，具有广阔的市场和商业
化应用前景。
正是因为认识到微纳制造技术的重要性和巨大的社会需求，兰红波将全部身心都投入到了
纳米压印的研究和开发之中，并取得了不俗的成绩，在科技创新的征途上踏出了一条芳香之旅。
近10年来，兰红波一直致力于纳米压印、微纳制造、光电子器件制造、3D打印等方面的
研究和开发，先后主持国家自然科学基金重大研究计划（培育项目）、教育部“新世纪优秀人才”支持计划项目等国家和省部级课题10项，参与国家级课题6项，取得了一系列创新成果。
由他带领的纳米制造与纳光电子实验室，以应用为牵引，致力于研发批量化大面积纳米压印工艺、装备及商业化应用，开发了国内首台拥有自主知识产权的4英寸整片晶圆纳米压印光刻机
和滚型纳米压印光刻机。
先后在本领域顶尖期刊NanoToday（IF:17.689）、InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology、《中国科学E》等期刊上发表学
术论文62篇。
出版纳米压印英文学术专著1本，受邀参编英文学术著作3部(BookChapter)。
持有1项美国专利，22项中国发明专利（第一发明人19项），申请18项发明专利（包括3项PCT国际专利）。
由于在行业内的突出贡献，兰红波受邀担任AdvancesinMicroelectronicEngineering和JournalofControlEngineeringandTechnology的编委，InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology、MicroelectronicEngineering
等16种国际期刊审稿人，并多次受邀在日本、美国等举办的国际会议上做邀请报告和大会报告。
顶天立地做科研，挑战更高更强
科学的乐趣，很多时候在于挑战。
在纳米压印领域，兰红波不懈攀登，只为领略更为壮美的风景，以自身智慧为人类发展贡献力量。
近年来，他先后承担多项重要研究课题，取得许多创新性研究成果。
2011年，兰红波主持了国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划：“大面积、高度均匀有序量子点阵列制造及其在量子点激光器中的应用”。
为了实现大面积完美量子点及其阵列的制造，他带领课题组提出了一种基于软紫外纳米压印的大面积完美量子点及其阵列制造方法，解决了现有的S-K模式直接自组装生长量子点和采用图形化衬底生长量子点均难以实现大面积完美量子点及其阵列的制造的问题，提供一种具有成本低、效率高、适合规模化制造大面积完美量子点及其阵列制造方法，突破了制约量子点器件实用化的技术瓶颈。
2012年，兰红波主持了“教育部新世纪优秀人才支持计划项目：面向光子晶体LED整片晶圆纳米压印工艺和装备的研究”。
众所周知，光子晶体LED目前被业界认为是提高取光效率、实现超高亮度LED最有效的技术手段之一，而纳米压印光刻在低成本、高生产率、一致性和规模化制造光子晶体LED方面与其他现有方法相比具有显著的优势，尤其是大面积整片晶圆（晶圆尺度）纳米压印工艺被认为是实现光子晶体LED一种理想的解决方案。
兰红波抓住机遇，带领项目组发展了一种基于气体辅助顺序微接触压印和揭开式脱模的全新整片晶圆纳米压印工艺，并完成了工程样机的开发，实现了光子晶体LED高效、低成本、批量化、一致性制造，突破了制约光子晶体LED批量化制造的国际性难题。
正是看准了纳米压印的广阔前景，兰红波选择了勇往直前。
今年，他又承担起“国家自然科学基金面上项目：面向LED图形化的大尺寸和非平整衬底整片纳米压印方法研究”。
据他介绍，我国的LED产业正从产业链低端的封装和末端的应用开始转向产业链高端的LED芯片制造、外延生长和衬底制造。
增加发光效率，提高亮度和功率，降低成本是当前LED 行业所面临最大的挑战性问题，也是亟待解决和突破的核心问题。
“LED纳米图形化技术（采用纳米尺度图形化蓝宝石衬底NPSS和纳米尺度图形化取光层）被学术界和工业界认为是当前提高光产生效率和光提取效率，改进光源质量是实现高亮度LED 最有效的技术手段。
”兰红波说。
在不断尝试中，他找到了自己的道路，创新采用新的压印填充和脱模策略，提出一种基于氟聚合物基薄膜状复合软模具和EHD辅助压印的整片晶圆纳米压印新方法，为大尺寸和非平整衬底纳米图形化提供一种高效、低成本、具有工业化应用前景的技术，并应用于NPSS和纳米棒LED的制造，突破当前制约LED纳米图形化的瓶颈。
该项目的研究对于发展新型大面积纳米压印方法、实现LED纳米图形化和开发新一代高亮度LED具有非常重要的理论价值和实际工程意义。
目前，该项成果已申请1项国际PCT专利，3项发明专利，并应邀于今年6月参加在墨西哥举办的2014EMN（能源、材料与纳米技术）国际会议，并作邀请报告。
此外，瞄准超大面积（m级尺度）非平整刚性衬底纳米图形化国际难题和巨大的产业化要求，兰红波还开发了两种原创性大面积纳米压印工艺：复合纳米压印和基于带形模具的纳米压印，正在开展相关工艺和装备的研发，以期实现超大面积复杂三维纳米结构和高深宽比微纳结构高效、低成本和规模化制造，为高效太阳能电池板、高清平板显示、高性能玻璃等提供另外一种全新的思路和方案，具有更高的质量、效率和更低的生产成本。
目前，该项目已得到青岛市创新领军人才项目的支持。
精诚合作，在共赢中寻求发展
牛顿说：“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上。
”在纳米压印领域不懈求索的兰红波，总是积极构建高水平的国际平台，寻求与国际纳米制造领域的专家合作。
柏林工业大学Bimberg教授是国际纳米领域著名科学家，他带领固体物理研究所和纳光子研究中心在量子点相关领域的研究一直处于国际领导地位。
早在从事博士后研究期间，兰红波就将纳米压印技术拓展到量子点领域，并与合作导师Bimberg教授、Pohl教授共同提出一种基于软UV-NIL和MOCVD制造大面积、高度均匀有序量子点阵列方法，为提高量子点器件性能以及突破制约量子点器件实用化的技术瓶颈提供一种重要的支撑技术。
此外，他还与处于国际领先水平的东京理科大学的Jun教授保持着密切合作与交流，开展了多项课题合作研究。