納米壓印光刻是一種高精度、低成本的微納制造技術，通過機械壓印將模板圖案轉移到基片上的功能性材料(如抗蝕劑)中，并結合紫外光固化或熱固化實現圖案定型。其加工效果受多種因素影響，以下從模具特性、壓印材料、工藝參數、環境條件及后處理等方面進行詳細分析。
一、模具特性
1. 模具材料與硬度
模具材料需具備高硬度(如硅、石英或金屬合金)以抵抗壓印過程中的機械磨損，同時具有低黏附性以防止脫模困難。例如，硅模具表面可通過化學修飾(如氟化處理)降低表面能，減少抗蝕劑粘附。
- 熱膨脹系數匹配：模具與基片材料的熱膨脹系數差異會導致溫度變化時圖案變形，需通過材料選擇或補償設計(如周期性圖案分割)緩解。
2. 表面粗糙度與圖案精度
模具表面粗糙度需低于特征尺寸的1/10(如1 nm以下)，否則會直接復制到壓印圖案中。此外，圖案側壁傾斜角、深寬比等幾何參數直接影響壓印均勻性，例如高深寬比圖案可能因抗蝕劑填充能力不足導致缺陷。
3. 模板壽命
反復使用會導致模具磨損或污染，需定期清潔(如氧等離子處理)或更換。軟模具(如聚二甲基硅氧烷PDMS)雖成本低，但彈性模量低，易變形，適用于非高密度圖案。
二、壓印材料
1. 抗蝕劑性能
- 粘度與流動性：抗蝕劑粘度需適中，過低易導致圖案邊緣塌陷，過高則填充能力差。熱壓印中常加熱降低粘度(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)，紫外壓印則依賴低黏度樹脂。
- 固化特性：紫外固化型抗蝕劑需與曝光波長匹配(如深紫外DUV對應透明樹脂)，熱固化型需控制玻璃化轉變溫度(Tg)以平衡硬度和脫模難度。
- 厚度均勻性：旋涂或流延法制備的抗蝕劑薄膜厚度需精確控制(通常為幾十至幾百納米)，過厚會增加殘余層厚度，過薄可能導致圖案不連續。
2. 釋放層與粘附控制
為降低脫模阻力，常在模具表面涂覆釋放層(如氟硅烷自組裝單層膜)，或在抗蝕劑中添加納米顆粒(如二氧化硅)減少黏附。軟壓印中需調節PDMS模具與基底的楊氏模量比以實現彈性分離。
三、工藝參數
1. 壓力與溫度控制
- 壓力：需均勻施加以排除空氣并確保抗蝕劑填充模具空隙。壓力不足會導致圖案殘缺，過高則壓迫基片或模具變形。
- 溫度：熱壓印中升溫可降低抗蝕劑粘度(如PMMA在150°C以上流動性顯著提升)，但需避免基片與模具熱膨脹失配。紫外壓印通常在常溫下進行，但對環境穩定性要求更高。
2. 曝光條件
- 紫外曝光：需調節光強、波長和曝光時間以實現抗蝕劑固化。例如，深紫外(DUV，250-300 nm)適用于厚膜固化，而可見光適用于特定光敏材料。
- 劑量均勻性：光源強度分布不均會導致圖案線寬偏差，需通過光學系統校正或分區域曝光補償。
3. 保壓與冷卻
曝光后需保持壓力直至抗蝕劑固化，隨后緩慢降溫以避免熱應力導致圖案剝離或畸變。
四、環境條件
1. 潔凈度
微塵或雜質污染模具或抗蝕劑表面會形成缺陷，需在千級及以上潔凈室中操作，并通過氮氣吹掃或真空吸附減少顆粒沉積。
2. 濕度控制
高濕度環境會使抗蝕劑吸濕，改變其粘度和固化動力學，導致圖案膨脹或粘連。通常要求相對濕度低于40%。
五、脫模與后處理
1. 脫模技術
- 垂直脫模：通過精確控制模具與基片的分離速度(如納米位移臺)避免撕裂圖案。
- 傾斜脫模：將模具傾斜一定角度(如10°)利用剪切力輔助分離，適用于大面積圖案。
2. 殘余層去除
壓印后殘留的抗蝕劑薄層(殘余層)會影響圖案分辨率，需通過氧等離子體刻蝕或反應離子刻蝕(RIE)去除。
3. 圖案轉移
若需將抗蝕劑圖案轉移到底層材料(如金屬或介質薄膜)，需結合刻蝕或沉積工藝，此時抗蝕劑的耐腐蝕性或剝離特性成為關鍵。
