对话纳米压印技术发明人周郁：用变革性的新技术突破光刻瓶颈！

前不久，随着佳能公司全球首个纳米压印半导体制造设备FPA-1200NZ2C的推出和交付，宣告着纳米压印技术在半导体集成电路制造商业化进程再迈出重要一步，展现出了在半导体领域替代或补充传统光刻技术的巨大潜力，备受业界关注。

据悉，佳能的新系统降低了功耗和成本，可实现最小线宽为14nm的图形化，相当于5nm芯片节点。尤为值得关注的是，如果改进模具该设备甚至可以生产2nm先进制程的芯片，直接瞄准了当前由ASML主导的EUV光刻技术市场，实现了前所未有的精度与效率。

多家存储制造商已在纳米压印技术的使用方面取得了逐步进展，并将其视为存储产品线的可行选择。

能看到，这个引发学术界和产业界广泛关注，为科技界打开一扇全新大门的纳米压印技术，正在迎来新的令人瞩目的荣光。

纳米压印技术（Nanoimprint Lithography, NIL）是一种新型的微纳加工技术。它的工作原理与传统的光刻技术完全不同。传统的光刻技术用辐射（光或电子）曝光光刻胶和用化学冲洗来形成图案。而纳米压印用机械变形-压印来形成图案。纳米压印将预先图形化的模具压进与涂布好的纳米压印胶， 从而在纳米压印胶上复制出模具上的结构图案。为了减少压印的压力，纳米压印胶需要在压印时非常软 -如水一样（液态聚合物）。纳米压印胶有加热型：胶在加热时变软但冷下来变硬；有紫外光照型：胶在光照前时是软但光照后变硬；及热光混合型。压印后，模具和纳米压印胶分离-脱模过程。

纳米压印与光学光刻流程对比

（图源：佳能）

可以理解为，纳米压印技术造芯片就像盖章一样，把栅极长度只有几纳米的电路刻在印章（模具）上，再将印章盖在橡皮泥（压印胶）上，实现图形转移后，然后通过热或者UV光照的方法使转移的图形固化，以完成微纳加工的“雕刻”步骤。

从其原理不难分析，纳米压印的分辨率由所用模板图形的大小决定，与光源无关。因此，不受光波波长、光源大小， 光源均匀度、光镜数值孔径、聚焦系统、光散射衍射、衬底反射等因素的限制，突破了传统光学曝光光刻工艺的分辨率极限。

与传统光刻技术相比，纳米压印技术有其许多制造优势是传统的光刻技术无法相比的。比如，超高的高分辨率 (0.3 nm )，  高密度 （<6 nm 半间距), 3D 图案成型结构,无光学散射, 大面积, 兼容柔性衬底, 设备工艺简单,低能耗, 及高效、低成本的优势。

这使纳米压印逐步成为大规模生产纳米结构的关键技术之一，现在已被广泛应用于LED、AR/VR、光学器件、生物医学检测等多个领域。纳米压印是这些领域的基础，没有纳米压印，许多这些领域的产品是不会可能的。

在半导体集成电路应用中，虽然纳米压印技术有许多超过传统的光刻技术的优势，有取代传统的光刻的潜力，但由于半导体集成电路应用的一些特出需求，纳米压印技术在这一应用领域经历了长期的发展——目前半导体集成电路应用的纳米压印机已经出世。

现在纳米压技术已成为二十一世纪的重要变革性技术之一，可广泛应用于虚拟现实（AR/VR）、光学器件（例如亚波长光学元件）、智能手机、显示器、LED、半导体集成电路， 太阳能电池、数据存储，光学传感器和通信）、生物医学检测， （例如基因测序和其他生物传感）、电池、医药、医学、以及安全功能（例如钞票和身份识别）等多个领域。

纳米压印已产生近100亿美元的年产值，有上千亿美元年产值的潜力。

而这一切成就的背后，是一次次质疑与坚持之间的博弈，是不断进取与突破创新凝结出的故事篇章。

针对纳米压印这个热门话题，在当前背景和时机下，我们有幸采访到了美国工程院院士、美国普林斯顿大学Joseph C. Elgin讲席教授、纳米压印技术发明人周郁 （Stephen Y. Chou）先生，围绕纳米压印技术的相关内容进行了深入分享。

• 当年是如何实现这一技术创新？

• 又是为何从备受质疑到广受关注？

• 近30年来，纳米压印技术取得了哪些成果与进展？

• 该赛道的生态现状与技术瓶颈？

• 中国在纳米压印赛道表现如何？

• 纳米压印是否终将取代光刻技术？

• ...

在本次采访中，周郁院士一一做了解答，揭示了纳米压印技术的前世今生、产业生态与未来行业发展的新机遇。

周郁院士接受半导体行业观察专访

以下为半导体行业观察与周郁院士的对话

（有删节）

Q：纳米压印技术是怎么被发明的？

周院士：大概在1994年，当时光刻的最小尺寸只能做到0.3μm（微米），普通电子束光刻也只能做到约100nm（纳米）左右。

无论是光刻、电子束光刻还是X射线光刻，都跟光的波长有关，受限于光学曝光中的衍射和散射现象，受限于光学成像设备，受限于光刻胶的曝光，存在诸多技术瓶颈。当时传统的光刻技术在制造微小结构时已经遇到了瓶颈，且存在产业化难题。

在1994年时，我已经对光刻、电子束光刻及X射线光刻都有深度研究，而且发展了创新的高性能纳米晶体管和纳米光子器件。但是受限于当时光刻技术的最小线宽，这些纳米器件不能够商业生产。对解决这个问题，我考虑是否可以用完全不同的技术原理来克服光刻技术的困难和挑战，我想到用机械式的压印技术。这样就不用光了，从此避开光刻技术所有的困难。

但是，在1994年以前，采用机械模具的压印技术，最好也仅能做到微米级别的尺寸，远达不到纳米级的目标尺寸范畴。人们认为我疯了，异想天开。可是我坚持要做实验。我设计了一个简单热压印装置，用氧化硅衬底取代金属镍为模具。氧化硅材料的创新大大减小了模具膨胀系数 （减少超过10倍）。结果令我十分惊讶。我发现，完全与过去人们想像的不同，压印可以复制小于10纳米的图案！它比人们之前认为的小了100多倍! 这是革命性突破，给纳米制造开辟全新领域。我给我的发明和发现取了一个名字：”Nanoimprint” - 纳米压印。这就是纳米压印领域的开始。

我团队设计、建造并使用的第一台纳米压印机自2009年以来一直在德国博物馆展出。德国博物馆是世界上历史最悠久、规模最大的科学博物馆，收藏了众多世界上首创的设备，这些设备源于开创性的创新成果，例如第一台计算机和第一台机车。

Q：该技术刚推出的时候，业界反响如何？

周院士：我们的早期纳米压印工作首先发表在《应用物理快报》上，随后在《科学》杂志。科学界对此感到非常惊讶。许多人认为这是不可能的，因为机械模塑传统上用于较大结构，而不是用于分辨率比当时最先进的光刻技术高出一个数量级的纳米结构，并且可能比电子束光刻更小。

如大多数有革命性的创新技术刚诞生时一样，机械式压印技术在研究早期也不被业界理解和认可。尽管当时的试验成果已呈现出颠覆性进展，但也只有寥寥数人觉得该技术是有前途的，绝大多数行业人士仍持观望或不相信态度。

在纳米压印发明后的前四年（1995–1998年），几乎没有其他研究团队发表任何与纳米压印相关的工作。虽然在这种情况下，我个人对纳米压印有充分的信心。我带领团队持续努力推动纳米压印技术进步。在四年时间中发表了约20篇文章，不但把纳米压印的尺寸做到更小，还实现了世界第一次用纳米压印技术制造纳米晶体管、纳米光子器件和纳米磁性器件等。另外我们不仅发明了平板纳米压印，还创新性的实现了滚筒压印方式、气压印方式等，及发展了纳米压印胶。

到1999年，有5篇其他组发表的纳米压印论文. 分别来自美国、瑞士、法国、日本和韩国的5个研究组。至此，纳米压印技术开始逐渐得到了业界信赖和重视。

Q：当时受到质疑的时候，坚持下去的驱动力是什么？

周院士：当时，基于多年的纳米压印实验数据和微纳加工经验，我知道我已经发明了一种革命性的技术，这将对整个纳米制造领域产生深远的影响。我相信，人类是聪明并具有创造力的，发生了太多看似不可能最终努力成为可能的事情，历史证明我是对的。

回想起来，如果我当时因背批评和质疑而放弃了纳米压印技术话，那么纳米压印技术的领域，应用，及产业不知道将会推迟多少年; 同样，也不知道有多少现在市场上因纳米压印而得以商业化的纳米产品今天是否仍然有。

Q：纳米压印技术提出至今近30年，这30年里纳米压印技术的应用与发展情况如何？

周院士：在发明纳米压印的第一篇文章里（1995），我就指出纳米压印的最早的工业应用之一是纳米光学领域，特别是亚波长光学（meta-optics）。例如现在的VR/AR眼镜的亚波长的光波导片，偏振片，光镜等都采用的纳米压印技术，VR/AR市场规模目前大概有几十个亿美元左右，且增速非常快。在市场前景吸引下，很多企业都在把目光投向了纳米压印技术。

纳米压印技术还在LED、手机光学图案、显示器、亚波长镜子，激光和探测器等领域有许多应用进展，这些器件具有小型化、高效化、低功耗等特点，在光学通信、成像、检测等领域具有广泛的应用前景。

同时，在生物医学领域，纳米压印技术可以用于制造基因检测器件、仿生材料、生物传感器以及医学探测器等，以此来减小器件尺寸、提高检测精度，具有很大的市场潜力。相信未来随着技术不断演进、软件技术逐渐完善，还会衍生出很多新的应用场景，其前景无疑十分广阔。

此外，半导体行业也开始用到纳米压印技术，比如佳能推出的纳米压印设备能够用于生产存储器。相较于EUV光刻设备的高昂成本，以及电费、水费、耗材等不菲的维护费用，纳米压印设备在半导体领域具备很大的成本优势。

虽然佳能并未公布其纳米压印设备的定价，但是佳能CEO此前曾表示，该纳米压印设备的价格将比ASML的EUV光刻机低一个数量级；据笔者了解，采用纳米压印技术可使得整体设备投资降低至EUV光刻产线设备的40%水平。

Q：纳米压印技术为何适用于制造存储芯片？

周院士：纳米压印技术非常适用于存储芯片的制造，一方面是因为存储厂商在芯片制造上对成本把控较为严苛，需要降低光刻成本，同时相对于拥有数十层不同电路结构的逻辑半导体来说，存储芯片可以承受一定的制造中的缺陷而不影响成品率，放宽对缺陷的要求。这是因为存储芯片上有许多备用的存储单元，当某个存储单元坏了，软件可以让一个备用存储单元来代替。目前已有不少存储厂商计划使用纳米压印技术来制造存储芯片。

纳米压印技术与存储芯片相结合，能大大提高存储厂商的生产效率，并大大地降低成本，有望为存储芯片领域带来革命性的技术革新。

此外，由于金属或高介电常数材料有严重的光衍射和散射，传统光刻在这些材料上处理非常细致和复杂的结构时存在严重困难。相较之下，纳米压印技术与光没有关系，可给出高度精确的纳米级图案，可以做EUV光刻做不了的纳米级图案。另外纳米压印可减少工艺步骤，实现更高的分辨率和更小的线宽，进一步帮助芯片厂商降低生产成本，提高竞争力。

Q：当时是怎么想到把传统的压印技术来做半导体工艺？

周院士：如果想要在研究领域有重大突破，一定要用不同于已有技术的新原理和新思路，这是我在半导体领域研究纳米压印技术的初衷和初心。

但当时大家都觉得纳米压印是一个非常crazy的想法，但实验结果证明纳米压印技术非常具有优势，相较于吞吐量慢且需要花费很多准备工作的电子束光刻技术，纳米压印技术写入速度非常快，十分便利、高效。

Q：针对半导体领域，纳米压印技术是完全不同于光刻技术的全新路径，纳米压印设备切入芯片制造商现有产线的门槛高不高？

周院士：纳米压印替代的只是光刻环节，只有光刻的步骤被纳米压印技术代替，其他的刻蚀、离子注入、薄膜沉积等这些标准的芯片制造工艺是完全兼容的，能很好的接入和兼容现有产业，不用推翻重来。

最重要的就是行业厂商要有信心和兴趣来使用纳米压印技术。

Q：如何看待纳米压印技术与光刻技术的关系？是相互取代还是并存？

周院士：我认为两者是并存的关系，但光刻远远小于纳米压印市场的规模。

因为从整个市场来看，光刻只适用于半导体领域，而比如电池、太阳能等很多需要大面积或在软材料上去做纳米结构的应用，光刻技术都满足不了，这些都是纳米压印的市场。所以从这个角度来讲，纳米压印应用市场更广泛，但在半导体领域与光刻或将是并存的关系。

Q：纳米压印市场的生态现状与产业布局？

周院士：如今纳米压印产业链上已经聚集了上百家公司，覆盖设备、模板、纳米压印胶、材料、工艺、终端应用等诸多环节，包括国际前十大科技公司都在采用纳米压印技术，可以预期该技术的未来市场增速很快。

与此同时，随着越来越多的大公司了解到纳米压印技术的优势之后，会将该技术延伸到更多产品类别和应用领域，同时吸引初创企业采用纳米压印技术来制造产品。

此外，随着纳米压印技术独特性能的逐渐发掘和使用，也会反哺产业化应用进程的加速。在市场需求和技术创新的双重驱动下，纳米压印技术产业生态就像滚雪球一样越滚越大，进而推动该技术实现新的突破和发展。

Q：中国在纳米压印技术领域的进展如何？

周院士：中国在纳米压印的设备、材料、工艺和应用方面起步稍后，但这也是正常的，因为任何技术的发展都需要时间和过程。

但常常后来者居上。中国现在在纳米压印方面有相当的实力。中国团队有国内自生的及海外回归的。海外回归的包括在最早从事纳米压印研究组的学生，目前有的已经回到中国来做纳米压印相关的事情，比如葛海雄教授和罗刚博士等，都做的很不错。同时，中国在制造成本方面存在优势。

总的来看，随着近几年的迅猛发展，中国已经涌现出了一批备受资本和市场瞩目的产业链企业，包括纳米压印设备、材料、工艺和应用等各环节的公司都在积极布局，中国纳米压印技术生态正在逐渐完善。中国是属于市场需求型驱动的市场环境，预计未来纳米压印技术在中国将迎来指数级的增长。

Q：对于纳米压印技术的未来发展，有哪些建议？

周院士：纳米压印做能做的东西太多了，目前最重要的事情应该是“教育市场、教育客户”，因为很多公司还不知道纳米压印技术的好处和优势，他们还在用传统的办法来做产品。

另外，纳米压印有很多独特的性质，比如在光刻技术不适用的大面积纳米结构上，纳米压印技术别具优势，作为一种利用模板压印方法大规模制备大面积微纳米结构的图形化技术，具有重复性好、成本低及结构分辨率高等优点。高通量、低成本、大面积的纳米结构制造技术对纳米结构工程的应用和产业化具有重要意义。

同时，相对于传统光刻技术需用于衬底表面非常平，纳米压印技术却无这个要求，也可以和软衬底保持良好的结合，不仅适于平面衬底，还可应用于具有曲率的非平面衬底，成为纳米结构制造领域内的有力工具之一。

Q：纳米压印还存在哪些亟待解决的发展瓶颈？

周院士：尽管纳米压印技术从原理上规避了投影镜组高昂的价格和光学系统的固有物理限制，但从非接触范式的光学光刻到接触式的纳米压印，也衍生了一些新的技术难题。

例如，纳米压印作为一种物理接触式的加工技术，在模具和压印胶接触和分离的过程中都容易引入缺陷，比如颗粒、粘胶、气泡等缺陷。不过这个问题随着纳米压印工艺和材料的不断改进，近几年已经得到了越来越好的解决。此外，针对多层结构的产品制造，纳米压印技术目前还受到对准精度方面的限制。

但是，业界已经开发了许多创造性的方案来解决这些问题。例如，通过光束局部加热来解决对准问题。

我深信，将来会有更多创造性的技术方案来解决存在的问题。人类一再证明，可以使不可能成为可能！

Q：展望未来，纳米压印技术走势如何？创新方向在哪？

周院士：从市场层面来看，随着产业链公司的积极布局和探索，纳米压印技术的产值会增长非常快，从目前的大概近100亿美元市场规模，很快将超过一千亿美元，而且迅速扩展到更多的公司来使用该技术。展望未来，纳米压印市场规模将有望达到一万亿美元。

从技术角度讲，纳米压印是一个多科学综合的技术，所以其技术创新需要各学科、各领域都向前发展，一起向前推进。

纳米压印技术作为纳米科技领域的一次革命性突破，自1995年发明以来，便以其优异的高分辨、低成本、高产能等技术特性，在科技界引起了广泛关注。

作为一种具有纳米级精度的先进制造技术，纳米压印技术曾被美国麻省理工科技周刊评为“将改变世界的十大新兴技术之一”，被纳入到国际半导体产业技术发展蓝图（ITRS）。

至今经历了近30年的纳米压印技术发展历程，正逐步渗透到各个高科技产业，推动着纳米技术从基础研究到工业应用的全方位创新。

随着技术的不断成熟和完善，纳米压印技术必将在未来精密纳米制造领域和未来纳米技术的发展及应用中扮演更加重要的角色，为人类社会的科技进步和产业升级贡献不可估量的力量。

正如在采访尾声，周院士回顾其这些年来的工作历程时所说：“我非常高兴能够发明纳米压印这一技术，而且把它推到了许多不同的领域里和一个很大的市场，创造了很多有价值的产品，也创造了很多工作，为社会增加了财富，我觉得这是我一生中非常有意义和幸运的事情。”