大面積納米壓印技術(shù)及其器件應(yīng)用

高曉蕾，陳藝勤，2*，鄭夢(mèng)潔，段輝高

（1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.東南大學(xué) 江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；3.季華實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528000）

1 引 言

微納制造技術(shù)是現(xiàn)代微納米科技產(chǎn)業(yè)的重要支柱，是集成電路、光電器件和微機(jī)電系統(tǒng)的制造基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著微納制造應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展以及微納光學(xué)和光子學(xué)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、多信息光學(xué)探測(cè)、光學(xué)傳感器、超構(gòu)材料和生物芯片等對(duì)大面積微納圖形化器件的需求日益增大，而這些器件的大面積制備是上述技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的光刻技術(shù)如深紫外光刻、電子束光刻，無(wú)法在加工分辨率、加工精度、加工面積、加工成本及可加工材料上實(shí)現(xiàn)兼顧。因此，發(fā)展大面積微納制造技術(shù)始終是產(chǎn)業(yè)界重要的研究方向。

在20世紀(jì)90年代，Chou等提出了納米壓印技術(shù)，其基本原理是運(yùn)用納米圖形模板壓在聚合物上進(jìn)行模壓成型，實(shí)現(xiàn)納米圖形的加工。該技術(shù)不依賴(lài)于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，可突破光學(xué)衍射極限［1-2］。相比于傳統(tǒng)掩膜光刻，納米壓印不僅可以制備二維平面結(jié)構(gòu)，而且可通過(guò)精密的模板制作壓印出準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)，為性能調(diào)控和器件設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。最初的納米壓印是由小面積平板壓印模板進(jìn)行重復(fù)步進(jìn)式壓印。隨著微納光學(xué)、光電產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求的逐漸明確，發(fā)展大面積的圖形化方法成為必然趨勢(shì)。特別地，聚合物的種類(lèi)及功能豐富且具有可定制合成的優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足微納光學(xué)及光電方面的應(yīng)用，而納米壓印可快速、低成本對(duì)各類(lèi)聚合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，因此已成為大面積圖形化一種不可替代的方法。

隨著納米壓印圖形化效率與模板加工能力的不斷拓展，各種大面積納米壓印技術(shù)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，已逐步從傳統(tǒng)的采用大面積模板進(jìn)行平板對(duì)平板納米壓印發(fā)展到卷對(duì)平板、卷對(duì)卷形式的連續(xù)納米壓印方法。根據(jù)不同的制造需求，所采用的壓印材料、模板制造方法、施加壓力的方式等制造要素也有了不同程度的發(fā)展。隨著器件尺度、精度、材料、成本等參數(shù)要求的極端化，納米壓印技術(shù)在大面積模板制造、工藝穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)均勻性、關(guān)鍵尺寸的實(shí)現(xiàn)、缺陷率控制、模板壽命以及工藝力學(xué)等方面存在諸多挑戰(zhàn)。本文對(duì)學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界在大面積納米壓印技術(shù)、大面積壓印模板制備、大面積納米壓印技術(shù)的器件應(yīng)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)介紹，并對(duì)其發(fā)展前景與挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

2 大面積納米壓印技術(shù)

不同的大面積加工需綜合考慮功能材料、目標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵尺寸和加工面積等因素，因此人們開(kāi)發(fā)出多種大面積納米壓印技術(shù)?？偨Y(jié)起來(lái)，主要有以下兩種：平版壓印和滾軸壓印。平版壓印通過(guò)平面式模板進(jìn)行壓印加工，可分為步進(jìn)式壓印和整片晶圓壓印兩種方式。步進(jìn)式壓印主要應(yīng)用基于硬質(zhì)襯底且面積較小的單個(gè)功能器件，整片晶圓壓印利用大面積壓印模板進(jìn)行保形壓印。平版壓印方法與半導(dǎo)體制造工藝兼容，模板具有高分辨率，但隨著加工面積的增加，加工難度及挑戰(zhàn)也不斷增加。滾軸納米壓印更多是針對(duì)寬幅面微納元器件的制造，采用與工業(yè)卷軸印刷類(lèi)似的方式，實(shí)現(xiàn)低成本的大面積結(jié)構(gòu)加工。

2.1 平版壓印

2.1.1 步進(jìn)式壓印

盡管傳統(tǒng)的紫外固化壓印展現(xiàn)出加工高分辨率結(jié)構(gòu)的潛力，但是模板尺寸小，不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的晶圓尺寸，在工業(yè)量產(chǎn)方面存在挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，Willson等提出了步進(jìn)-閃光納米壓印這一概念［3］。首先，在襯底上滴涂壓印膠，通過(guò)較低的壓力使壓印膠填充模板中的空腔。然后，采用紫外光快速閃光使其固化成型后，便可進(jìn)行脫模。不斷重復(fù)該壓印過(guò)程，即可得到完整圖案。

作為下一代光刻的備選技術(shù)，步進(jìn)式納米壓印在大面積晶圓上進(jìn)行圖形化，采用了與步進(jìn)式光刻相同的技術(shù)方案。利用較小尺寸的圖形化模板以步進(jìn)重復(fù)模式壓印較大的表面積，可在室溫下進(jìn)行，壓印力也相對(duì)較低，避免了熱壓印中的熱循環(huán)和高壓力對(duì)結(jié)構(gòu)損壞等缺點(diǎn)，是一種十分重要的大面積圖形化手段。在此基礎(chǔ)上，EVG公司和國(guó)內(nèi)天仁微納公司開(kāi)發(fā)出商用化的步進(jìn)重復(fù)壓印設(shè)備，可用于制備大面積母模板或在襯底上制備高精度結(jié)構(gòu)。

2.1.2 整片晶圓壓印

整片晶圓壓印可以一步將整個(gè)晶圓上的圖案復(fù)制在尺寸相近的襯底晶圓上。較步進(jìn)式壓印，整片晶圓壓印通常會(huì)面臨新的工藝問(wèn)題，主要有：（1）施加壓力分布不均勻；（2）模壓時(shí)排空導(dǎo)致壓印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷；（3）更大的脫模力可能造成損傷結(jié)構(gòu)；（4）雜質(zhì)顆粒污染。

針對(duì)上述問(wèn)題，飛利浦研究所和SUSS Micro Tec公司提出了一種襯底保形納米壓印技術(shù)，該技術(shù)可以在晶圓上制備亞10 nm的結(jié)構(gòu)，并且壓印襯底直徑大小可達(dá)200 mm，可將它應(yīng)用于生產(chǎn)光學(xué)元件、MEMS/NEMS以及LED等。壓印模板采用通過(guò)硅母模板復(fù)制得到的基于玻璃載體的PDMS復(fù)合模板，結(jié)合了硬模板的高分辨率和軟模板的靈活性。該技術(shù)按順序連續(xù)壓印，借助毛細(xì)力使壓印膠進(jìn)入模板，可以減少壓印過(guò)程中氣泡的產(chǎn)生和脫模過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的損壞，很好地對(duì)非理想襯底壓印，如圖1（a）所示［4-5］。為了進(jìn)一步提高PDMS軟模板的穩(wěn)定性，Lan等采用薄PET或玻璃板作為支撐層、s-PMDS作為中間緩沖層以及含氟聚合物作為圖形層的復(fù)合模板。如圖1（b）所示，壓印過(guò)程中主要通過(guò)控制氣壓來(lái)對(duì)柔性復(fù)合模板施加壓力，從模板的中心開(kāi)始連續(xù)壓印直到兩側(cè)。該方法減少了壓印過(guò)程中的氣泡缺陷，提升了加工效率［6］。為了在曲面襯底上進(jìn)行大面積納米壓印，西安交通大學(xué)Shao等提出了離散支撐納米壓印［7］，可用于對(duì)表面含微臺(tái)階的晶圓級(jí)襯底進(jìn)行大面積壓印。其中，離散支撐壓印模板由背襯層、離散支撐柱構(gòu)成的離散支撐層以及結(jié)構(gòu)圖形層構(gòu)成，既能夠減小模板縱向剛度，減少接觸所需要的壓力，也能分布集中載荷。

此外，國(guó)內(nèi)外公司也都開(kāi)發(fā)出不同的整晶圓壓印技術(shù)。EVG公司在直徑為12英寸晶圓和第三代液晶面板級(jí)襯底上實(shí)現(xiàn)了大面積壓印，分辨率可達(dá)40 nm。Obducat公司則是通過(guò)采用壓力均勻的壓縮空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)模板和襯底之間的大面積保形壓印，消除厚度變化、彎曲或波紋帶來(lái)的負(fù)面影響。國(guó)內(nèi)天仁微納公司則在Obducat公司技術(shù)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，提出了CLIV（Contact Litho in Vacuum）專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)在工作模板和襯底之間形成瞬間負(fù)壓，在完成模板和襯底貼合的過(guò)程中解決了氣泡產(chǎn)生的問(wèn)題，負(fù)壓增強(qiáng)了毛細(xì)力作用，在不需要施加壓力的情況下可實(shí)現(xiàn)完整的結(jié)構(gòu)填充，可以在直徑300 mm的襯底上進(jìn)行大面積高精度的納米結(jié)構(gòu)壓印，結(jié)構(gòu)分辨率優(yōu)于20 nm，廣泛應(yīng)用于3D傳感、生物芯片和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）衍射光波導(dǎo)等領(lǐng)域。

圖1 整片晶圓壓印Fig.1 Full wafer nanoimprint lithography

2.2 滾軸納米壓印

盡管平版壓印可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)微納結(jié)構(gòu)加工，但是面向更大面積的加工需求時(shí)，平版壓印需要更大面積的模板，也就意味需要施加更大的壓印力。例如，對(duì)于8英寸的晶圓，壓印力達(dá)到20 k N［8］時(shí)，會(huì)影響壓印效果。而滾軸納米壓印通過(guò)滾軸與襯底相互接觸的高副局部可產(chǎn)生極高的壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)壓?。?］，并且可連續(xù)滾動(dòng)模板實(shí)現(xiàn)連續(xù)壓印。滾軸納米壓印可分為卷對(duì)平板納米壓印和卷對(duì)卷納米壓印兩類(lèi)。

2.2.1 卷對(duì)平板納米壓印

卷對(duì)平板納米壓印通常有兩種方式，比較簡(jiǎn)單的一種方式是利用滾軸滾動(dòng)施加壓力，將平板模板上的圖案復(fù)制到涂覆有壓印膠的襯底上，如圖2（a）所示［10］。圖2（b）所示為L(zhǎng)im等設(shè)計(jì)的卷對(duì)平板壓印系統(tǒng)，控制器控制施壓滾軸在垂直和水平方向移動(dòng)，去滾動(dòng)施加壓力，使柔性聚合物薄膜和熱板上的模具進(jìn)行線(xiàn)接觸，此時(shí)由熱板傳遞給模具的熱量便會(huì)繼續(xù)傳遞給柔性聚合物薄膜。在加熱和壓力的作用下，聚合物復(fù)制得到模具上的結(jié)構(gòu)，然后在空氣中冷卻固化完成壓印［11］。上述卷對(duì)平面的納米壓印的目標(biāo)材料主要是聚合物。除此之外，還可以采用激光熔融表層材料及激光誘導(dǎo)沖擊壓印可直接對(duì)一些無(wú)機(jī)功能材料（如硅、PMMA）和金屬材料進(jìn)行大面積壓?。?2-13］。

另一種方式是使用圖形化的滾軸或者由柔性模板環(huán)繞的滾軸在涂覆有壓印膠的平板襯底上滾動(dòng)壓印，既可以用于熱壓?。▓D3（a）），也可以用于紫外壓?。▓D3（b））。對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)，納米壓印在脫模時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷較小，可以忽略；然而，對(duì)于高深寬比結(jié)構(gòu)，則需要實(shí)現(xiàn)較小的脫模力，避免對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷。圖3（c）所示為Nithi等利用大面積卷對(duì)平板紫外固化納米壓?。∕orphotonics公司）在柔性襯底上制備的具有超疏水和疏油特性的高深寬比微結(jié)構(gòu)［14］。此外，脫模是納米壓印中一個(gè)重要的工藝環(huán)節(jié)，可將滾軸和柔性模板分離進(jìn)行壓印。如圖3（d）所示，Youn等利用剝離過(guò)程中的應(yīng)力集中效應(yīng)改善脫模工藝。通過(guò)未進(jìn)行圖形化的滾軸和一個(gè)升降平臺(tái)在柔性模板上進(jìn)行滾動(dòng)壓印。在由線(xiàn)圈支撐的模板上施加一定壓力使模板與聚合物接觸，只要滾軸壓過(guò)模板使得模板對(duì)聚合物施加一定壓力，滾軸的熱量就會(huì)傳遞給模板，壓印過(guò)程開(kāi)始。這一過(guò)程完成后，支撐聚合物的平臺(tái)會(huì)和模板平行［15］。蘭紅波等則提出通過(guò)切換氣室正負(fù)壓來(lái)控制滾軸上復(fù)合軟模板的吸附與脫離，并配合工作平臺(tái)移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)良率更高的卷對(duì)平板壓?。▓D3（e））［16］。

圖2 卷對(duì)平板納米壓印系統(tǒng)Fig.2 Roll-to-plate nanoimprint lithography systems

2.2.2 卷對(duì)卷納米壓印

卷對(duì)卷納米壓印類(lèi)似于工業(yè)的滾軸印刷技術(shù)，利用具有圖形化表面或柔性模板包覆的滾軸去壓印柔性襯底，使圖案化過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，顯著提高了壓印產(chǎn)量，為工業(yè)化量產(chǎn)提供了有潛力的解決方案。

2008年，Ahn和Guo提出了卷對(duì)卷納米壓印技術(shù)［17］。首先，制備可彎曲的平面壓印模板；然后，將模板環(huán)繞在滾軸表面，形成滾軸模板，通過(guò)滾軸模板對(duì)包覆在滾軸上的襯底進(jìn)行連續(xù)壓印；最后，滾軸滾動(dòng)使壓印模板與襯底軸分離。通過(guò)這種方法可得到長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示。在此基礎(chǔ)上，Ahn和Guo還開(kāi)發(fā)出新型卷對(duì)卷和卷對(duì)平板裝置，可在4英寸寬柔性/硬質(zhì)玻璃襯底上連續(xù)壓印出光柵圖案，把攜帶柔性襯底的支撐滾軸換成平板輸送機(jī)，可實(shí)現(xiàn)柔性襯底與硬質(zhì)襯底之間的切換，極大拓展了加工范圍［18］。圖4（b）所示分別為卷對(duì)卷壓印系統(tǒng)、卷對(duì)平板壓印系統(tǒng)和6英寸壓印設(shè)備。

圖3 利用圖形化滾軸在涂覆有壓印膠的平板襯底上進(jìn)行滾動(dòng)壓印的卷對(duì)平板壓印系統(tǒng)Fig.3 Roll-to-plate nanoimprint lithography systems that use patterned rollers to roll and imprint on substrates coated with resists

圖4 卷對(duì)卷壓印Fig.4 Roll-to-roll nanoimprint lithography

為了延長(zhǎng)模板的使用壽命，Jacob等制備了具有低表面能、化學(xué)穩(wěn)定性高、透明度好的全氟聚醚（PFPE）復(fù)合模板，并在柔性襯底上實(shí)現(xiàn)了大面積連續(xù)壓印，如圖4（c）所示［19］。由于滾軸壓印在脫模時(shí)造成結(jié)構(gòu)的形變，因此，卷對(duì)卷壓印加工高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)存在一定的工藝難題。Hiroshi等利用自制的硬模板采用卷對(duì)卷方式在聚酯薄膜上進(jìn)行壓印，可得到高深寬比的圖案［20］。同時(shí)，為解決熱循環(huán)引起的圖形質(zhì)量和產(chǎn)量問(wèn)題，Raymond等設(shè)計(jì)了一種配置變溫帶狀模板的壓印系統(tǒng)（圖4（d）所示），通過(guò)溫度調(diào)控改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，從而提升壓印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并成功制備了具有高保真度的連續(xù)閃耀光柵圖案［21］。

圖5 將連續(xù)后處理與卷對(duì)卷納米壓印系統(tǒng)集成的壓印系統(tǒng)Fig.5 Imprinting system integrating continuous post-processing and roll-to-roll nanoimprinting system

此外，研究者不斷拓展卷對(duì)卷納米壓印的應(yīng)用范圍，將連續(xù)后處理與卷對(duì)卷納米壓印系統(tǒng)集成以制備復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。Wang等開(kāi)發(fā)了一套可用于大面積制造基于Ag網(wǎng)格的柔性透明電極裝置，可以在卷對(duì)卷壓印制備微通道后繼續(xù)將Ag嵌入到微通道內(nèi)。圖5（a）所示為柔性電極制備流程示意圖、卷對(duì)卷紫外固化納米壓印系統(tǒng)和制備的Ag網(wǎng)格SEM圖［22］。Yi等提出了雙面卷對(duì)卷壓印技術(shù)，通過(guò)導(dǎo)向滾軸將壓印面反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)雙面壓印。圖5（b）所示為具有單面和雙面結(jié)構(gòu)的Ag網(wǎng)格透明導(dǎo)電電極的制備示意圖，通過(guò)在另一側(cè)集成蛾眼納米結(jié)構(gòu)提高了Ag網(wǎng)格電極的透射率［23］。Lee等通過(guò)引入一種二維-大氣壓等離子體噴射系統(tǒng)（2D-APPJ），有效解決了壓印殘膠層的去除問(wèn)題，有助于提升卷對(duì)卷壓印的實(shí)用性。圖5（c）所示為該組合卷對(duì)卷連續(xù)壓印系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行壓印-去除殘膠-刻蝕-壓印-去除殘膠，成功制備了一個(gè)10.1英寸電容式薄膜觸摸傳感器的Cu電極和ITO電極［24］，如圖5（d）所示。

3 大面積壓印模板制備

壓印模板是壓印技術(shù)最為重要的制造元件，模板制備也是大面積壓印的關(guān)鍵技術(shù)之一。壓印技術(shù)方案不同，模板制備方法也有所不同，本文分別對(duì)大面積壓印中采用的大面積平板模板和滾軸模板的制備方法進(jìn)行了介紹。

3.1 大面積平板模板制備

高質(zhì)量大面積平板模板的制備方法有很多，主要分為兩類(lèi)：自上而下的方法（電子束光刻、激光直寫(xiě)光刻及干涉光刻等）和自下而上的方法（嵌段共聚物自組裝法、納米球光刻及陽(yáng)極氧化法制備多孔氧化鋁模板等）。

3.1.1 自上而下的加工方法

基于光刻的自上而下加工是大面積壓印模板加工的主流方法，主要包括干涉光刻、激光直寫(xiě)光刻及電子束光刻等。干涉光刻技術(shù)通過(guò)在光刻膠上疊加兩個(gè)或多個(gè)相干光束進(jìn)行曝光加工出周期性結(jié)構(gòu)，是一種大面積無(wú)掩膜的周期性圖形化手段。對(duì)于雙光束曝光，條紋與條紋之間的間距或周期由光源波長(zhǎng)和兩束干涉光之間的角度決定，可獲得的周期是最小波長(zhǎng)的一半。通過(guò)三束光干涉可以得到二維結(jié)構(gòu)，利用四束相干光干涉結(jié)合紫外光聚合可以制備出三維周期結(jié)構(gòu)?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)疊加不同的相干光，可以得到一維到三維的周期性圖案，但干涉光刻僅限于制備簡(jiǎn)單的周期性結(jié)構(gòu)。圖6（a）所示為雙光束干涉光刻的基本原理示意圖［25］。

激光直寫(xiě)技術(shù)采用聚焦激光束對(duì)襯底表面的光敏材料進(jìn)行曝光。由于大功率激光器的出現(xiàn)，激光直寫(xiě)的加工效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電子束曝光，能夠快速加工大面積任意圖案的納米壓印模板，且無(wú)需掩膜板，這種加工能力能夠滿(mǎn)足大部分納米壓印模板的精度要求。然而，對(duì)于大面積周期性圖形，激光直寫(xiě)在加工效率和精度方面顯然存在挑戰(zhàn)。圖6（b）所示為激光直寫(xiě)設(shè)備工作的基本光學(xué)原理。

電子束光刻作為一種高分辨無(wú)掩膜直寫(xiě)技術(shù)，其主要原理是利用極細(xì)的聚焦電子束對(duì)襯底上的電子敏感光刻膠進(jìn)行掃描式曝光得到圖案，具有高分辨、高柔性、可加工任意圖案等特點(diǎn)。因此，電子束光刻可加工任意圖案形狀，在設(shè)計(jì)模板時(shí)，需考慮的加工制造約束程度低。由于該方法成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，主要用于高端、精細(xì)壓印模板的加工制造。圖6（c）所示為電子束光刻技術(shù)的基本原理示意圖。

除了以上傳統(tǒng)的模板制備方法，EVG公司最近研發(fā)出利用步進(jìn)重復(fù)式壓?。‥VG 770NT步進(jìn)重復(fù)納米壓印設(shè)備）制造大面積母模板，圖6（d）所示為利用該設(shè)備生產(chǎn)的尺寸為300 mm的母模板放大圖，可用于晶圓級(jí)光學(xué)器件。國(guó)內(nèi)天仁微納也提供使用GL SR300步進(jìn)式納米壓印設(shè)備制備大面積納米壓印母模板的完整設(shè)備、材料、工藝解決方案。圖6（e）所示為使用天仁微納GL SR300步進(jìn)式納米壓印設(shè)備，從一個(gè)衍射光波導(dǎo)鏡片模板制備的300 mm大面積母模板。與激光直寫(xiě)和電子束光刻等傳統(tǒng)的模板制備方法相比，該方法具有成本低、產(chǎn)量大等優(yōu)勢(shì)。由大面積母模板能夠復(fù)制出數(shù)十或數(shù)百個(gè)可用于晶圓級(jí)和面板級(jí)納米壓印的工作模板，從而最大程度地減少昂貴母模板的磨損和缺陷引入的風(fēng)險(xiǎn)。該方法使得基于納米壓印的器件應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光波導(dǎo)、光學(xué)傳感器、微透鏡及生物芯片，能夠從研發(fā)階段快速且經(jīng)濟(jì)高效地步入到大批量生產(chǎn)階段。

3.1.2 自下而上的加工方法

相比于自上而下的加工方法，自下而上的方法可快速、低成本地制作大面積圖形。但由于自下而上的方法進(jìn)行圖形制作的缺陷難以控制，因此，該類(lèi)方法僅適用于對(duì)加工圖形精度、尺度要求不高的模板制作，主要包括嵌段共聚物自組裝、納米球光刻及氧化法制備多孔氧化鋁模板。

嵌段共聚物在高溫下發(fā)生微觀的相分離并自組裝成周期性結(jié)構(gòu)，不同的分子量和組成成分形成的嵌段共聚物會(huì)有不同的尺寸和形貌，這種嵌段共聚物自組裝效應(yīng)可用于制備壓印模板。圖6（e）所示為Yuri等利用PS-b-PDMS嵌段共聚物自組裝得到一個(gè)可以直接用于納米壓印的二氧化硅母模板的流程。由于CF4刻蝕對(duì)二氧化硅表面起到一個(gè)氟化作用，因此也不需要對(duì)模板進(jìn)行進(jìn)一步抗黏處理［26］。

納米球光刻是一種無(wú)掩膜、低成本的納米加工技術(shù)。高度單分散的膠體納米球可以在適當(dāng)?shù)臈l件下自組裝成二維膠體陣列，通過(guò)氧氣等離子體刻蝕可以控制納米球的直徑和間隙，從而改變陣列的尺寸，但是大面積納米球排列的均勻性很難得到有效的控制。圖6（f）所示為Jeong等利用納米球光刻制備點(diǎn)陣模板示意圖［27］。

多孔陽(yáng)極氧化鋁（Anodic Aluminum Oxide，AAO）模板也可用于納米壓印，具有均勻的蜂窩狀孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制工藝條件可以得到不同尺寸、間距以及深度的孔。其制備流程通常為：將高純度的金屬鋁作為陽(yáng)極，惰性金屬或石墨電極作為陰極，并將它們置于電解液中，陽(yáng)極會(huì)被氧化，從而在鋁電極表面形成一層AAO薄膜。根據(jù)電解液種類(lèi)、電解液濃度、電解溫度及氧化時(shí)間等工藝條件的不同，所制備的孔也有所不同。

3.2 滾軸模板制備

滾軸模板制備是限制大面積卷對(duì)卷壓印廣泛應(yīng)用的因素之一。滾軸模板通常分為兩類(lèi)：無(wú)縫滾軸模板和環(huán)繞包覆式滾軸模板。

3.2.1 無(wú)縫滾軸模板的制備

無(wú)縫滾軸模板常用的制備方法主要有兩類(lèi)：直接圖形化和基于光刻的加工。這兩種方法有著不同的特點(diǎn)，因此被用來(lái)制備不同類(lèi)型的滾軸模板。最常見(jiàn)的直接圖形化法是單點(diǎn)金剛石車(chē)削，該技術(shù)具有精度高、操作簡(jiǎn)便、大面積制造等優(yōu)點(diǎn)，用于大面積金屬模板的制造［9］。Je等利用該方法制造了具有微棱鏡圖案，無(wú)節(jié)距誤差的鍍銅滾軸模板［28］。Nichole等利用聚焦離子束銑削制備的金剛石模具，成功在涂有高磷鎳涂層的鋁管上加工出了可用于卷對(duì)卷納米壓印的無(wú)縫滾軸模板。圖7（a）所示為滾軸模板制備原理示意圖［29］。

在滾軸上利用其他傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)直接加工也可制備無(wú)縫滾軸模板。例如，Noriyuki和Jun采用電子束直寫(xiě)技術(shù)在旋轉(zhuǎn)的圓柱襯底上制備了無(wú)縫滾軸模板，其加工原理如圖7（b）所示。通過(guò)對(duì)涂覆光刻膠的整個(gè)滾軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)直寫(xiě)曝光，再沉積金屬進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，即可得到滾軸模板［30］。Huang和Lee提出了一種微接觸和光刻結(jié)合的方法對(duì)滾軸進(jìn)行圖案化。他們將涂有一層金屬薄膜的平面模板與涂有光刻膠的滾軸接觸，施加合適的力和溫度，即可將該圖案化的金屬薄膜轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的滾軸上。之后將該金屬薄膜作為掩膜對(duì)滾軸進(jìn)行紫外曝光和顯影，最后在滾軸上蒸發(fā)一層金屬并將光刻膠層剝離即可得到滾軸模板，形成結(jié)構(gòu)的特征尺寸可小至0.6μm［31］，如圖7（c）所示。Lee等提出了一種無(wú)掩膜曲面光束筆光刻技術(shù)來(lái)制造具有波浪形狀結(jié)構(gòu)無(wú)縫滾軸模板，如圖7（d）所示。該方法通過(guò)改變微透鏡陣列支架的平移速度、平移距離及滾軸旋轉(zhuǎn)速度可得到不同的波浪形狀結(jié)構(gòu)［32］。

此外，還有一些方法也可以用來(lái)制備無(wú)縫滾軸模板。Lee等提出了一種在AAO模板上澆鑄PDMS然后剝離得到無(wú)拼縫滾軸模板的方法。該方法通過(guò)滾軸上的氣囊膨脹支撐圓環(huán)形PDMS模板，以得到最終用于壓印的滾軸模板，圖7（e）所示為無(wú)縫圓形PDMS模板的制備流程（上）及氣囊支撐滾軸模板壓?。ㄏ拢┦疽鈭D［33］。也有研究人員直接利用納米壓印技術(shù)在滾軸表面上制備圖案。Hwang等用硅母模板復(fù)制得到的PVA模板去壓印表面涂覆PDMS的滾軸，壓印后將PVA溶解于水中將其去除，然后通過(guò)氧等離子體處理在PDMS表面上形成一層薄薄的硅氧化物層，并在PDMS圖案上自組裝一層氟硅烷抗黏層，以防止在壓印過(guò)程中出現(xiàn)粘連問(wèn)題，最終完成了滾軸模板的制造。圖7（f）所示為滾軸模板的制備流程圖（上）及通過(guò)該工藝得到的透明滾軸模板（下）［34］。

圖6 大面積平板模板制備方法Fig.6 Methods for preparing large-area flat molds

圖7 無(wú)縫滾軸模板的制備方法Fig.7 Methods for preparing seamless roller molds

3.2.2 環(huán)繞包覆式滾軸模板的制備

滾動(dòng)壓印中的滾軸模板也可以通過(guò)將一個(gè)平板柔性模板環(huán)繞在整個(gè)滾軸上來(lái)制備。該方法中，模板既要具有足夠的柔性可以彎曲并環(huán)繞在滾軸上，也要有足夠的強(qiáng)度和剛度去壓印抗蝕劑。此外，模板還應(yīng)具有較低的表面能，以保證脫模過(guò)程中壓印膠不會(huì)粘附到模板表面，減少脫模過(guò)程中的摩擦，增加模板的使用壽命。環(huán)繞包覆式滾軸模板的制備通常是先使用金屬材料或者聚合物材料制備一個(gè)含所需圖案的平板柔性模板，然后將其環(huán)繞并固定到滾軸上形成最終的滾軸模板［20，35-36］。

Jarrett等利用電鑄法加工出柔性鎳模板并將它環(huán)繞固定到滾軸上得到滾軸模板，隨后應(yīng)用于卷對(duì)卷紫外納米壓印中批量復(fù)制樹(shù)脂模板。圖8（a）所示為滾軸上的鎳模板，卷對(duì)卷紫外固化納米壓印系統(tǒng)及鎳工作模板的SEM俯視圖［37］。Dumond等也為其卷對(duì)卷紫外固化壓印系統(tǒng)制備了一種h-PDMS/PDMS柔性模板，通過(guò)將其機(jī)械固定安裝到滾軸上后，可用于卷對(duì)卷壓印生產(chǎn)具有低表面能的聚合物樹(shù)脂模板。圖8（b）所示 為h-PDMS/PDMS模 板 及 其 工 作 原 理［38］。Kim等也提出了一種將AAO模板連接到柔性PDMS襯底上的AAO/PDMS混合模板，用于卷對(duì)卷壓印工藝以大規(guī)模生產(chǎn)大面積聚合物納米結(jié)構(gòu)。圖8（c）所示分別為壓印示意圖（左）及模板實(shí)物圖（右，scale bar=2 cm）［39］。

圖8 環(huán)繞包覆式滾軸模板的制備Fig.8 Fabrication of wrap-around roller molds

這種方法存在很多問(wèn)題，比如柔性模板和滾軸之間的對(duì)準(zhǔn)、模板在滾軸上的滑動(dòng)、柔性模板會(huì)存在一個(gè)拼縫導(dǎo)致壓印的結(jié)構(gòu)不連續(xù)等。然而，從成本的角度來(lái)看，將平板模板環(huán)繞并固定到滾軸上形成最終的滾軸模板更實(shí)用。因?yàn)榕c滾軸模板相比，具有納米級(jí)特征的平板模板制造起來(lái)相對(duì)容易，成本低。此外，對(duì)于選擇使用環(huán)繞包覆式滾軸模板還是無(wú)縫滾軸模板，應(yīng)取決于與拼縫相關(guān)的缺陷是否會(huì)影響壓印區(qū)域及具體的應(yīng)用目標(biāo)。

4 大面積納米壓印技術(shù)的器件應(yīng)用

大面積納米壓印技術(shù)作為一種微納加工技術(shù)，被認(rèn)為是最有前途的下一代光刻技術(shù)之一，可廣泛用于制備柔性電子器件［40］、納米光子器件［41］以及生物傳感器等相關(guān)微納器件。微納器件的性能與材料表面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，其微觀結(jié)構(gòu)通?？梢岳秒娮邮饪?、深紫外至X射線(xiàn)光刻等技術(shù)來(lái)制備。電子束光刻技術(shù)由于設(shè)備昂貴、效率低，難以應(yīng)用于大面積圖案制造與工業(yè)生產(chǎn)；深紫外至X射線(xiàn)光刻技術(shù)要求復(fù)雜，光刻設(shè)備昂貴，且高能射線(xiàn)輻照會(huì)對(duì)材料性能造成不利影響，限制了材料的應(yīng)用。與之相比，大面積納米壓印技術(shù)可以低成本、高效率地制造高精度納米結(jié)構(gòu)，是微納器件大批量、規(guī)?；圃斓年P(guān)鍵。大面積納米壓印現(xiàn)已被用于制造各種微納米結(jié)構(gòu)和器件，如抗反射涂層或薄膜［42］、超疏水表面［14］、線(xiàn)柵偏光片［43］、導(dǎo)光板［44］、LED［45］、太陽(yáng)能電池［46］、OLED［47］、超濾膜［48］、AR近眼顯示設(shè)備［49］、超構(gòu)透鏡［50］、生物傳感器［51］以及微流體通道［52］等。圖9展示了大面積納米壓印技術(shù)具有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.1 發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）廣泛應(yīng)用于照明和顯示領(lǐng)域，如何提高LED的發(fā)光效率是一個(gè)非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域。圖形化藍(lán)寶石襯底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）是提高LED光提取效率的一種重要方法，也是控制高品質(zhì)光電GaN晶體的關(guān)鍵步驟。由于納米壓印不依賴(lài)于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，效率高、成本低，具有經(jīng)濟(jì)高效和大面積量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，因此常用來(lái)對(duì)藍(lán)寶石襯底圖形化，以提高LED器件的光提取效率。Guo和Hu利用一個(gè)軟硬結(jié)合的混合模板進(jìn)行壓印，對(duì)2英寸藍(lán)寶石襯底進(jìn)行刻蝕，得到了具有圓截錐形狀結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石襯底。與未進(jìn)行圖形化藍(lán)寶石襯底的LED相比，具有圖形化藍(lán)寶石襯底的LED的光輸出功率提高了43.8%。整個(gè)藍(lán)色LED的光致發(fā)光強(qiáng)度的高均勻性表明，該方法制備的納米圖案具有良好的均勻性。圖10（a）所示分別為該2英寸圖形化藍(lán)寶石襯底實(shí)物圖，保形壓印后的結(jié)構(gòu)SEM圖，藍(lán)寶石襯底上的圓截錐形狀SEM圖及通入電流后的發(fā)光實(shí)物圖［45］。此外，Hidetoshi等將紫外固化卷對(duì)卷壓印和整片晶圓壓印結(jié)合，利用卷對(duì)卷壓印制備的柔性模板進(jìn)行壓印，成功對(duì)2英寸和4英寸的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行圖形化［53］。

4.2 金屬線(xiàn)柵偏光片

金屬線(xiàn)柵偏光片是一種由線(xiàn)柵組成的光學(xué)元件，具有出色的偏振性能，可應(yīng)用于成像、光譜偏振以及投影顯示等眾多領(lǐng)域。它易于集成到其他光學(xué)組件，如半導(dǎo)體激光器、光電化學(xué)太陽(yáng)能電池以及CMOS和CCD成像傳感器等［54］。將卷對(duì)卷壓印用于金屬線(xiàn)柵偏振片制備，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬線(xiàn)柵偏光片的方法。Wu等將卷對(duì)卷納米壓印和等離子體修飾、斜角沉積結(jié)合，在PET襯底上成功制備了具有高深寬比光柵結(jié)構(gòu)的柔性偏光片，并且制備的偏光片展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能。等離子修飾可以減小得到的光柵結(jié)構(gòu)的線(xiàn)寬，從而制備極小尺寸和高深寬比結(jié)構(gòu)，提供了良好的可重復(fù)性和可靠性。該方法增加了將卷對(duì)卷納米壓印技術(shù)應(yīng)用于顯示行業(yè)的可能性［43］。Hyun等提出了一種基于滾軸的噴射-閃光納米壓印，通過(guò)按需滴紫外固化膠可以節(jié)省材料，得到非常薄且均勻的殘余層（有助于后續(xù)的干法刻蝕轉(zhuǎn)移）。圖10（b）所示為該方法制備的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為5.7英寸的大面積柔性雙層金屬線(xiàn)柵偏光片［55］。針對(duì)卷對(duì)卷壓印中高分辨率滾軸模板制備困難和加工過(guò)程中易磨損等問(wèn)題，Xu等提出了一種平板模板-滾軸壓?。?6］，成功在柔性襯底上制備了金屬線(xiàn)柵偏光片，該系統(tǒng)在制造大面積柔性器件方面具有巨大潛力。

4.3 結(jié)構(gòu)色

結(jié)構(gòu)色是一種不含任何色素成分的純物理色，由于物體表面存在著許多微納米結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生散射、衍射、干涉等物理作用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)光進(jìn)行選擇性反射或透射，從而呈現(xiàn)出不同的顏色。與傳統(tǒng)的基于化學(xué)的著色劑相比，結(jié)構(gòu)色具有高穩(wěn)定性、環(huán)境友好、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)油墨印刷、光學(xué)防偽、微觀藝術(shù)及超分辨彩色成像等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［57-58］。但是，大面積制備可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的微納結(jié)構(gòu)一直是個(gè)巨大挑戰(zhàn)，而卷對(duì)卷壓印具有低成本、高產(chǎn)量和大面積圖案化等優(yōu)點(diǎn)，因此十分適合用于加工超表面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。Swathi等利用卷對(duì)卷熱壓印在PET上壓印聚丙烯（PP）得到了具有不同的亞波長(zhǎng)直徑和周期的納米孔陣列，蒸鍍金屬制備出等離激元納米結(jié)構(gòu)。圖10（c）所示為制備的聚合物薄膜，放大后的等離子體結(jié)構(gòu)色及蒸發(fā)金屬Al后薄膜的SEM圖［59-60］。此外，Anders等也展示了將卷對(duì)卷壓印實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)可作為裝飾用途的等離激元的結(jié)構(gòu)色［61］。將由硅母模板復(fù)制得到的鎳模板環(huán)繞到滾軸上得到滾軸模板，然后利用該滾軸模板和文獻(xiàn)［35］中的卷對(duì)卷熱壓印裝置對(duì)聚合物進(jìn)行壓印，后續(xù)對(duì)壓印得到聚合物陣列蒸發(fā)金屬，即可得到具有基于局部表面等離子體共振產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的超表面。

4.4 導(dǎo)光板

液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）是非自發(fā)光器件，通常需要一個(gè)背光模組為它提供均勻的面光源。導(dǎo)光板是背光模組中一個(gè)十分重要的元件，它是一個(gè)表面帶有微透鏡陣列或V形凹槽陣列等微結(jié)構(gòu)的透明薄板，可以將側(cè)入式LCD模組中LED發(fā)出的光轉(zhuǎn)向正面并發(fā)光均勻。輸出光的均勻性是背光模組一個(gè)重要的性能指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)光板表面微結(jié)構(gòu)的尺寸和排列分布等可以有效提高背光模組輸出光的均勻性。Huang等利用紫外固化壓印在PMMA襯底上壓印得到了V形凹槽微結(jié)構(gòu)，用于增強(qiáng)光強(qiáng)。圖10（d）所示為 導(dǎo) 光 板 的 光 強(qiáng) 分 布 和 實(shí) 物［62］。Xu等則是利用紫外固化壓印制備了一個(gè)5英寸雙面集成微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該導(dǎo)光板整體厚度均勻，且厚度小于0.6 mm，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕薄化［63］。Wang等通過(guò)卷對(duì)卷壓印成功在PET襯底上復(fù)制得到了微透鏡陣列，大大提高了制備效率，測(cè)量結(jié)果表明，導(dǎo)光板的亮度均勻度達(dá)到了74.9%［44］。

4.5 微透鏡陣列及超構(gòu)透鏡陣列

微透鏡陣列是一種重要的光學(xué)元件，可用于光調(diào)控，實(shí)現(xiàn)聚焦、成像、光束變換等功能。隨著微透鏡陣列在消費(fèi)光電產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，快速、低成本制備微透鏡成為消費(fèi)級(jí)光電子制造的瓶頸。因此，運(yùn)用大面積納米壓印技術(shù)規(guī)?；苽渚A級(jí)微透鏡陣列是一種理想的選擇。Xie等首先制備了一個(gè)表面具有蛾眼結(jié)構(gòu)的晶圓級(jí)別金屬模板，然后利用該模板進(jìn)行紫外固化壓印，制備了高質(zhì)量的微透鏡陣列，可將它用于成像這一功能［64］。為了連續(xù)制備大面積的微透鏡陣列，可以利用卷對(duì)卷壓印來(lái)生產(chǎn)，例如Marieke等開(kāi)發(fā)了一種卷對(duì)卷壓印工藝，成功在PET襯底上制備了蛾眼結(jié)構(gòu)，加工效率高，復(fù)制率良好［65］。

超構(gòu)透鏡陣列是超構(gòu)透鏡的一個(gè)重要的應(yīng)用方向，在自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)光場(chǎng)成像及偏振態(tài)測(cè)量等方面都有重要的應(yīng)用，具有體積小、質(zhì)量輕、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢岳秒娮邮饪碳夹g(shù)來(lái)制備納米級(jí)超構(gòu)透鏡陣列，但是該方法成本高、產(chǎn)量低，限制了其商業(yè)應(yīng)用。大面積納米壓印可以低成本、批量制備微納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)壓印膠改性，可以得到具有高折射率的壓印膠，因此在制備光學(xué)元件方面有著巨大的前景。Vincent等最近利用大面積納米壓印制備了具有高深寬比和高折射率TiO2陣列的超構(gòu)透鏡，利用一個(gè)模板能夠在30 min內(nèi)壓印15次，制備效率高，制備的超構(gòu)透鏡也具有優(yōu)異的光學(xué)性能［50］。

4.6 AR光波導(dǎo)

基于近眼顯示設(shè)備的AR技術(shù)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中，光波導(dǎo)是解決AR近眼顯示設(shè)備大視場(chǎng)角與小體積矛盾的核心光學(xué)元件。衍射光波導(dǎo)中的光柵結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上具有靈活性。通常可以利用全息干涉技術(shù)來(lái)制造全息體光柵波導(dǎo)，但是目前全息體光柵波導(dǎo)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。表面浮雕光柵波相比于其他波導(dǎo)具有大視場(chǎng)和大眼動(dòng)范圍等優(yōu)點(diǎn)。電子束曝光技術(shù)、干涉曝光技術(shù)和刻蝕可以小批量制造表面浮雕光柵波導(dǎo)，但是這些方法流程復(fù)雜、成本高，不適合衍射光波導(dǎo)的大批量生產(chǎn)。大面積納米壓印技術(shù)成本低、可復(fù)制性高，可用于大批量生產(chǎn)表面浮雕光柵波導(dǎo)，從而應(yīng)用于下一代AR光波導(dǎo)［49］。最近，SCHOTT、Inkron、EVG及WaveOptics等全球AR領(lǐng)導(dǎo)者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，致力于加速消費(fèi)級(jí)AR可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)化?；赪aveOptics公司的光波導(dǎo)架構(gòu)，已成功利用EVG公司的HERCULES納米壓印設(shè)備和Inkron公司的高折射率樹(shù)脂在直徑300 mm、折射率1.9的玻璃襯底（SCHOTT公司）上制備出大面積光波導(dǎo)，使得消費(fèi)級(jí)AR可穿戴設(shè)備又向前邁進(jìn)一大步。綜上，大面積納米壓印等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)是AR近眼顯示設(shè)備走向消費(fèi)級(jí)別的重要途徑。

4.7 微流控芯片

微流控芯片為生物醫(yī)學(xué)測(cè)試提供了一種緊湊、便攜且樣品消耗量低的方法，可用于DNA分析、藥物傳遞和蛋白質(zhì)生物分子的分離等。一次性微流控芯片極大提高了醫(yī)療效率，只有以低廉的價(jià)格生產(chǎn)微流控芯片，才能有望使其得到商業(yè)化和廣泛應(yīng)用。納米壓印技術(shù)是一種平行圖案化方法，現(xiàn)已成為一種大批量制造方法，能夠滿(mǎn)足微流控芯片結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的需求。尤其是卷對(duì)卷壓印能夠連續(xù)、高產(chǎn)量生產(chǎn)微流控芯片，而且能夠在大面積上同時(shí)完成多個(gè)芯片檢測(cè)電極的壓印以及覆蓋箔的黏合，這大大降低了生產(chǎn)成本。Wang等通過(guò)卷對(duì)卷熱壓印制備了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且低深寬比的直微通道，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同尺寸微粒和細(xì)胞的分離。圖10（e）所示為該裝置的原理示意圖和在PMMA箔上制備的慣性微流控芯片［66］。Jussi等展示了利用卷對(duì)卷熱壓印在涂敷金屬鋁的紙上制造用于分子診斷的PDMS微流體通道，在1 h內(nèi)能夠生產(chǎn)數(shù)萬(wàn)個(gè)復(fù)制品。通過(guò)在制備的芯片上對(duì)病毒RNA進(jìn)行等溫?cái)U(kuò)增，驗(yàn)證了該分子診斷平臺(tái)的功能性［67］。

5 大面積納米壓印技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)

綜上所述，大面積納米壓印技術(shù)是一項(xiàng)有前景的微納制造技術(shù)，可經(jīng)濟(jì)高效地制造大面積微納米圖案，在光學(xué)器件、柔性電子器件和生物傳感器件等方面展現(xiàn)出巨大的商業(yè)潛能。在晶圓級(jí)納米壓印中，整個(gè)壓印區(qū)域都會(huì)在一個(gè)壓印周期內(nèi)完成，在LED及一些晶圓級(jí)光學(xué)元件中具有不可替代的作用。滾軸納米壓印由于在壓印過(guò)程中只有一個(gè)線(xiàn)條區(qū)域相互接觸，因此所需壓印力相對(duì)較小，同時(shí)由于其壓印過(guò)程連續(xù)，生產(chǎn)效率大大提高。

盡管大面積納米壓印技術(shù)在大批量生產(chǎn)方面已取得了巨大進(jìn)步，但是在大面積模板制造、結(jié)構(gòu)均勻性與分辨率、缺陷率控制、模板壽命、壓印膠材料以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備等方面仍存在挑戰(zhàn)。對(duì)于步進(jìn)式壓印來(lái)說(shuō)，當(dāng)所需器件圖案尺寸大于模板尺寸時(shí)，會(huì)在重復(fù)壓印的過(guò)程中留下沒(méi)有圖案的縫隙，這會(huì)影響壓印結(jié)果；此外，即使模板上存在一個(gè)很小的缺陷，該缺陷會(huì)在整個(gè)區(qū)域被復(fù)制，并在襯底上造成更大的缺陷。整片晶圓納米壓印工藝需要大的壓印力，且大面積填充壓印膠容易產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致壓印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，因此不適用于非常大的壓印區(qū)域；對(duì)于硬質(zhì)模板或者一些非平整的襯底，很難實(shí)現(xiàn)大面積保形壓印。對(duì)于滾軸納米壓印，滾軸模板的制備是其面臨的最大挑戰(zhàn)之一，尤其是使用現(xiàn)有的微納制造技術(shù)去低成本制備一個(gè)表面有多種微納結(jié)構(gòu)的滾軸模板。盡管用來(lái)制備高質(zhì)量滾軸模板的方法有許多，但從可靠性、分辨率、成本和耗時(shí)等方面考慮，這些工藝方法很難高效率地制備高精度、低成本的滾軸模板，因此仍然需要開(kāi)發(fā)更加可靠的技術(shù)來(lái)制備具有不同結(jié)構(gòu)和特征尺寸的滾軸模板。

除此之外，壓印膠作為納米壓印過(guò)程中圖形化的關(guān)鍵材料，由于制作的器件應(yīng)用不同，對(duì)壓印膠的種類(lèi)需要做合適的選擇，對(duì)壓印膠的性質(zhì)也提出了一些定制化需求。在很多光學(xué)或生物器件制造中無(wú)需圖形轉(zhuǎn)移，因此，壓印膠即是器件的功能材料，如光學(xué)應(yīng)用中需要吸收率低、折射率高、抗輻照穩(wěn)定性的材料（聚酰亞胺、金屬氧化物類(lèi)的壓印膠）。一些準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的壓印，為防止脫模時(shí)候造成結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)固化后的壓印膠的力學(xué)性質(zhì)（楊氏模量、硬度）提出了特定的要求。因此，仍需不斷開(kāi)發(fā)新型的壓印膠材料來(lái)滿(mǎn)足不同的器件應(yīng)用。

總之，大面積納米壓印通過(guò)機(jī)械接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)圖案復(fù)制，壓印得到的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和整個(gè)壓印過(guò)程密切相關(guān)，如壓印模板、壓印設(shè)備、壓印膠及壓印工藝等，因此應(yīng)不斷探索新的工藝和壓印材料等，以得到高質(zhì)量圖案并將其應(yīng)用到新的領(lǐng)域。

6 結(jié) 論

微納制造在過(guò)去三十年里逐漸開(kāi)辟和發(fā)展了一個(gè)全新的制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?；谖⒓{制造技術(shù)的微傳感器、微執(zhí)行器、微構(gòu)器件和微光學(xué)元件等微納器件在航空航天、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)和汽車(chē)電子等領(lǐng)域都展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，而大面積加工制造是他們走向產(chǎn)業(yè)實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。大面積納米壓印技術(shù)具有低成本、高效率地加工出大面積微納結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為存儲(chǔ)器件、微納光學(xué)元器件、柔性電子器件及生物傳感器等系列應(yīng)用提供了一種有效的規(guī)模化加工方案。盡管如此，該技術(shù)仍存在多項(xiàng)挑戰(zhàn)，如低成本高質(zhì)量母模板的制備、復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的復(fù)制、新型壓印膠的開(kāi)發(fā)及缺陷率的控制等。因此，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界仍在努力開(kāi)發(fā)新裝備、新工藝和新材料，以滿(mǎn)足工業(yè)界對(duì)微納器件日益增長(zhǎng)的高分辨、規(guī)模化、低成本和大面積的圖形化需求。