纳米压印技术30年：引领纳米制造新时代【郭凌杰教授团队】

美国密西根大学郭凌杰教授团队系统总结了纳米压印技术（NIL）的关键进展与未来趋势，特别聚焦于纳米硅器件制造与纳米光子学领域的行业进展。

研究背景

纳米压印技术（Nanoimprint Lithography, NIL）是一种新型纳米图案复制技术，自1995年由明尼苏达大学（现为普林斯顿大学）的Stephen Y. Chou教授提出以来，凭借低成本、高分辨率和高产能等优势迅速受到关注。其工作原理是将模具图案直接压印到聚合物材料中，对于热塑性材料，在脱模前对其进行冷却；而对于可交联前体，则进行紫外光固化或热固化，以实现对纳米级特征的精确复制。随着科技与产业的高速发展，对半导体器件、光学元件和生物医学装置的精细化、高效化生产需求日益增加，纳米压印技术逐渐成为不可或缺的制造手段。2025年是纳米压印技术问世三十周年。经过全球科研人员三十年的努力，它已成为深纳米尺度硅（Si）基电子产品极紫外（EUV）光刻的主要替代品，许多半导体公司认可其制造质量，并积极评估其生产先进半导体器件的能力。同时，凭借高吞吐量和3D图案化能力，NIL正成为制造平板光学和增强现实眼镜等新兴设备的关键技术，也开拓了新材料和新应用的研究空间。

综述内容概要美国密西根大学郭凌杰教授团队在Opto-Electronic Technology （光电技术）创刊号上发表了题为“30 years of nanoimprint: development, momentum and prospects”的特邀综述论文。系统总结了纳米压印技术（NIL）的关键进展与未来趋势，特别聚焦于纳米硅器件制造与纳米光子学领域的行业进展。

图1 纳米压印光刻的基本压印类型。 (a) Chou开发的热敏NIL； (b) Willson开发的紫外压印/步闪压印

综述详细阐述了热纳米压印和紫外光纳米压印两种主要技术形式（如图1所示），对不同类型的模具、光刻胶及具体压印方法进行了全面分析。例如，板对板压印可实现整片大尺寸基板的压印，但精度有限、缺陷率高且需较大外力；逐步重复式压印利用较小模具反复压印，显著提升精度并降低缺陷率；基于辊的纳米压印技术则通过连续印刷大幅提高产能，但受制于曲面模具制造、胶层厚度控制与脱模风险（如图2所示）。此外，论文深入讨论了制约NIL发展的关键核心技术，包括残余层厚度控制、缺陷密度降低及图案对准精度提升。

图2 (a-i) 板对板压印示意图； (a-ii) 逐步重复压印； (b) 卷对板压印； (c) 卷对卷压印； (d) 卷对板压印设置和压印结构的照片

文章还介绍了NIL技术在大批量制造中的突破性应用，涵盖半导体制造、平面光学、晶圆级光学及生物医疗等领域。文中提及佳能公司推出的 FPA-1200NZ2C，作为业界首个用于半导体制造的纳米压印设备，展现出高分辨率、低缺陷率和卓越产能。在平面光学领域，超透镜（Metalens）作为NIL技术的成果，已在手机相机、汽车雷达及增强现实（AR）眼镜中广泛应用。

在学术领域，NIL技术研究趋于多样化与深入化，包括制造高品质光学器件，精细调控半晶聚合物分子取向，实施应变工程以调控材料性能，以及探索了包括聚合物纤维压印、激光辅助压印、超声波辅助压印和电化学压印等新兴压印技术（如图3所示）。这些研究进一步扩展了NIL的应用前景，为未来电子器件、生物传感器、柔性电子及可穿戴设备的发展奠定基础。

图3 不同的 NIL 技术。(a) 用于高通量聚合物纤维图案化的 NIL；(b) 激光纳米压印；(c) 超声波纳米压印；(d) 电化学压印

总结与展望

随着纳米制造需求不断攀升，纳米压印技术的产业化进程必将加快。尽管仍存在诸如缺陷控制和图案对准等挑战，但通过工艺优化和跨领域合作，纳米压印技术有望引领未来高精度制造的新纪元。

研究团队简介

美国密西根大学电气工程与计算机科学系L. Jay Guo（郭凌杰）教授为IEEE/Optica双会士、Emmett Leith冠名讲席教授，长期致力于跨学科前沿研究。其团队聚焦高分辨率光刻与纳米压印工艺开发，延伸至光子传感器与光声传感装置、有机混合光伏探测器、柔性透明导体及纳米结构色等核心领域，其中超表面逆向设计技术处于国际前沿。依托多学科交叉优势，团队在微纳光学器件与半导体制造领域取得突破性进展。此外，团队成功孵化两家专注柔性导体与结构色产业化的科技企业。郭凌杰教授累计发表SCI论文295+篇（总被引3.5万次，H-index 93），担任Micro & Nano Manufacturing共主编、Optics and Photonics Research主编和IEEE Journal of Photovoltaics副主编等学术职务。