纳米压印三十年：突破光刻极限的纳米制造革命

1995年，在光学光刻主导微纳制造的时代，一条基于机械复刻原理的全新技术路线悄然诞生。当时的美国明尼苏达大学教授(现普林斯顿大学)周郁（Stephen Y. Chou）在论文中报道，其团队利用机械模板在聚合物中压印出小于25纳米的孔洞和沟槽，分辨率较当时的常规光刻提升了二到三个数量级。此后，周郁将这项技术命名为纳米压印光刻（Nanoimprint Lithography，NIL）。

此后的三十年间，光学光刻与纳米压印沿着两条不同的技术路径并行演进。光学光刻持续升级，逐步逼近光学与材料相互作用所决定的物理和工艺极限，并发展出深紫外光刻（DUV）、极紫外光刻（EUV）等先进技术，但设备、材料和工艺成本也随之快速攀升。纳米压印则始终沿着机械图形复制的差异化路线发展，凭借超高分辨率 （分辨率远高于EUV光刻）、低成本、高效率、不受光学衍射极限直接约束等优势，逐步从学术研究走向规模化应用，成为微纳制造领域的重要技术分支。

为系统梳理纳米压印技术的发展脉络，《半导体行业观察》专访了该技术的发明者、美国国家工程院院士周郁，与他共同回顾纳米压印从构想到发明、再到产业化的三十年历程。

一个曾被视为“疯狂”的想法

谈及发明纳米压印的缘起，周郁回忆道：“1994年，我已经发明了多种纳米器件，包括纳米晶体管、纳米光学器件和纳米磁器件。但这些器件的尺寸太小，即使在可预见的未来，传统光学光刻也难以制造。我一直在思考可行的制造方案，最终意识到，限制来自传统光刻的工作原理本身。要突破这一限制，就必须跳出传统光刻原理，采用一种全新的纳米光刻机制。经过长时间思考和研究，我决定尝试一种完全不同的原理——机械方法。”

“如果没有可行的制造技术，我在继续发展新型纳米器件时感到很大压力。”周郁说，“在美国，科研经费通常会投向能够证明实际用途的技术。你的技术再好，如果制造不出来，也很难继续获得支持。大家都知道纳米技术前景广阔，但如果缺乏制造技术，这一前景也可能逐渐消退。”

为了突破纳米制造的瓶颈，周郁用半年时间系统梳理各种技术路线，最终跳出传统光学光刻的框架，提出以机械压印制造纳米结构的新方案。“当时大家普遍认为，机械方法只能制造微米结构，没有人用它来做纳米结构。因此，当我提出用机械方法制造纳米结构时，许多人觉得这是异想天开，是一个非常疯狂的想法。”

确定方向后，周郁指导学生开展实验验证，仅用几天便获得了突破性结果。他回忆道：“看到结果时，我们都吓了一跳——做出的结构不仅小于微米，而且可以小于10纳米。”

围绕这一结果，周郁后来总结出两项关键科学发现：第一，机械压印能够实现10纳米以下的结构尺寸；第二，在压印过程中，聚合物可以从受压区域被充分排开，使压印区域的残余聚合物层极薄。周郁表示，这两项发现使他更加确信，纳米压印能够开辟一条全新的微纳制造道路。

基于这些实验结果，周郁于1995年在《Applied Physics Letters》发表了开创性论文，并于同年提交纳米压印光刻专利申请（美国专利US 5,772,905，1998年授权），正式将这项技术命名为纳米压印光刻。1996年，他又发表了更为系统的研究成果，进一步阐述了纳米压印的工艺原理与应用潜力。

1995年《Applied Physics Letters》开创性论文。来源：Google Scholar

美国专利US 5,772,905首页。来源：Google Patents

两篇核心论文与专利完整记录了纳米压印最初的技术方案。然而，这项开创性成果并未立即获得业界认可。论文发表后的最初三年，整个领域几乎只有周郁团队发表纳米压印研究成果。

谈及如何度过这段相对孤独的时期，周郁回忆道：“当时我的团队规模相当大，我让所有人集中力量研究纳米压印。三年里，我们发表了20多篇论文，不仅发展了多种纳米压印工艺及创新，包括气压纳米压印， 滚筒纳米压印，电压纳米压印，多层纳米压印胶，还使用纳米压印制造了纳米晶体管、纳米光学器件和纳米磁器件。我们的大量研究工作使整个领域认可了纳米压印的潜力。”

通过持续的实验迭代，团队逐步掌握了这套机械加工工艺的基本机理。在采访中，周郁通过比较光学光刻与纳米压印两条截然不同的技术路线，阐释了纳米压印的独特优势。

机械压印如何突破光学限制

传统光学光刻的核心，是利用光学投影成像，并借助光与光刻材料的相互作用完成图形转移。光线穿过掩模版上的图案，经镜头系统缩小后投射到涂有光刻胶的晶圆表面。其分辨率与工艺窗口主要受到两类因素制约：一是光的衍射极限；二是：光与材料相互作用、光散射、邻近效应等问题。为了不断提升分辨率，业界推动光源从汞灯（436纳米）依次演进到KrF准分子激光（248纳米）、ArF准分子激光（193纳米）和极紫外光（13.5纳米），并引入多重曝光、光学邻近效应校正（OPC）等复杂工艺。然而，每前进一步，设备、材料和工艺系统的复杂度与成本都会显著上升。

纳米压印的工作原理完全不同。它不用光学成像，而是通过直接机械接触材料来复制图形：带有纳米级凹凸结构的模板，在一定压力和温度条件下压入液态或软化的聚合物薄膜；聚合物填充模板凹槽后，经固化和脱模，模板图形被复制到聚合物表面；最后，再通过刻蚀将聚合物中的图形转移到下方衬底。

纳米压印与光学光刻工艺对比。来源：佳能官网

这种“机械复制”的原理，使纳米压印具备若干传统光学光刻难以同时实现的优势。

第一，分辨率不受光学衍射、光散射、邻近效应及光与材料相互作用的直接限制。纳米压印的分辨率主要取决于模板图形精度、聚合物材料特性以及工艺控制能力。周郁表示，其团队早在1997年便证明了亚10纳米压印能力--分辨率远高于EUV光刻；目前，实验室研究已实现1纳米以下结构的压印。

亚10纳米纳米压印工艺示意与实验结果。

来源：S. Y. Chou, P. R. Krauss, W. Zhang, L. Guo, L. Zhuang, “Sub-10 nm imprint lithography and applications,” Journal of Vacuum Science & Technology B 15 (6), 2897–2904， 1997.

第二，具备跨尺度结构一次成形能力。传统DUV光刻在制造从几十纳米到数微米的复杂结构时，往往需要多道工艺和多台设备协同完成。纳米压印则可将不同尺度的结构集成在同一块模板上，通过一次压印完成复制，从而缩短生产周期，并减少多道工序累积造成的良率损失。

第三，在适用场景下，设备与制造成本显著低于光学光刻。纳米压印设备无需复杂而昂贵的投影光学系统，其核心是高精度压印、对准和工艺控制单元。据璞璘科技公开资料，其PL-AS气压式纳米压印设备可将光芯片制造成本降至传统DUV方案的约十分之一。

谈及不同应用场景的技术演进方向，周郁强调，不同应用需要发展相应的纳米压印技术。光学器件和生物芯片的主要挑战，是实现大面积加工以及在非平整衬底上的高质量图形复制；半导体制造则对精密对准和套刻精度提出了更高要求。

从实验室走向产业化

谈到纳米压印的应用范围，周郁给出了一个全景式描述：“纳米压印的应用领域非常广泛。无论是半导体、光学器件 （包括镜头，摄相头，显示器， LEDs，太阳能电池， 等），磁器件，还是生物与制药行业，还是很多材料，许多应用都需要依托纳米加工技术实现。目前，纳米压印已在 AR/VR、智能手机摄像头、基因测序和生物医学传感等领域创造了数百亿美元的产品收入，相关产品已被全球数亿人使用。”

佳能FPA-1200系列纳米压印设备。来源：佳能官网

周郁表示，在众多应用方向中，半导体芯片制造是纳米压印最具突破潜力的领域之一。佳能于2023年发布FPA-1200NZ2C纳米压印设备，官方称其可实现14纳米最小线宽，并可对应传统5纳米制程节点的部分图形化需求。存储领域也在推进相关验证，SK海力士与铠侠均在探索将纳米压印用于NAND闪存图形化，希望以NIL减少多层曝光工序，从而显著降低制造成本。

广阔的应用空间，也体现在全球科研与产业布局的数据中。谈及纳米压印的实际渗透程度，周郁提供了一组值得关注的数据：过去30年，全球公开发表的纳米压印相关科技论文约1万篇，而专利申请与授权数量合计约6万件。专利数量约为论文数量的6倍，这在微纳加工技术领域并不常见。

“根本原因在于，这项工艺具有突出的产业价值。企业实现产品落地后，往往选择低调布局；部分厂商甚至减少论文发表，主要通过专利保护自身工艺。”周郁透露，美国多家头部科技企业已将纳米压印用于量产环节；在设备端，EV Group、佳能、SUSS MicroTec等厂商也已形成商业化布局。

在讨论全球产业格局的同时，周郁也重点介绍了中国纳米压印产业的发展成果。他的学生葛海雄教授及其创办的璞璘科技（Prinano）是其中具有代表性的力量。“葛海雄曾在我的实验室接受系统而完整的研发训练。如今，他带领团队和企业取得多项关键突破，我感到非常高兴。”周郁说。

璞璘科技（Prinano）来源：璞璘科技

璞璘科技成立于2017年，已形成设备、材料与工艺协同发展的一体化布局，是中国少数同时掌握板压、气压、辊压和步进式压印等核心工艺的企业之一。2025年8月，璞璘科技交付了中国首台半导体级步进式纳米压印光刻系统PL-SR。2026年6月，璞璘科技宣布与深圳力策科技合作，采用自主研发的PL-AS真空气压式晶圆级纳米压印设备，并配合定制化双层压印胶材料体系，完成8英寸光芯片规模化量产验证。

璞璘科技PL-AS真空气压式晶圆级纳米压印设备。来源：璞璘科技

在周郁看来，璞璘科技的发展路径具有代表性：从实验室样机和单项工艺验证起步，逐步迭代到整片晶圆量产；先深耕光芯片领域，再向更多应用市场延伸。

周郁表示，纳米压印虽然已经在多个场景实现小规模应用，但整体产业规模仍有较大提升空间。真正可能推动行业长期增长的，是AI算力快速扩张所带来的新市场需求。

下一个十年

AI算力扩张正在重塑芯片市场需求，也使纳米压印受到前所未有的产业关注。进入AI推理快速发展的阶段，芯片需求量级的变化正从根本上改变半导体制造中的成本与效率计算方式。

谈及纳米压印在半导体制造领域的发展，周郁提出两条重要路径：第一，纳米压印有1纳米以下结构的压印 -分辨率远高于EUV光刻，并且利用其不受金属膜层反光直接干扰的工艺特点，承担部分高反射材料的图形化工序；第二，在部分应用场景中，成为EUV光刻的高性价比补充或替代方案。基于这两项技术定位，他进一步指出两个具有长期潜力的核心赛道。

其一是3D堆叠与先进封装。随着Chiplet架构普及，以及混合键合和高带宽存储器（HBM）技术推进，先进封装中的再分布层（RDL）、硅通孔（TSV）图形化和微凸块制造，都需要高精度图形化技术。纳米压印能够一次成形不同尺度的复杂结构，这一优势与先进封装多层异质结构的制造需求高度契合。

其二是光芯片，这是当前纳米压印增长最快的市场之一。硅光、激光雷达和光通信器件对生产成本高度敏感，恰好契合纳米压印低成本、批量制造的核心优势。随着AI算力集群持续升级，光互连正成为数据中心性能提升的重要支撑，带动硅光芯片需求增长，也为纳米压印打开了更稳定的商业化空间。

除上述两大核心赛道外，周郁表示，纳米压印的应用版图仍在持续拓展。AR/VR衍射光波导、生物医疗微流控芯片等细分领域，也正在形成较为稳定的市场需求。

周郁认为： “未来，纳米压印将被用到更广泛的领域，将创造数千亿美元规模的产品市场，将服务全球数十亿人使用。”

采访接近尾声时，周郁补充了对中国纳米压印市场的判断：“目前，已有多家美国头部科技企业委托中国厂商代工纳米压印相关器件。未来，中国可能成为全球纳米压印企业数量最多的市场。”

回顾纳米压印三十年的发展历程，这项技术走出了一条与传统光学光刻并行、又具有鲜明差异化特征的微纳制造道路。如今，纳米压印正处在产业化加速的关键节点。未来三十年，它能够释放多大价值，将取决于能否在半导体、光学、生物医疗等微纳制造产业链中建立更深、更广的应用生态。

参考资料

1. 《Opto-Electronic Science》纳米压印光刻30周年综述，2025年
2. 璞璘科技（Prinano）官方新闻稿

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