“通過無化學粘合層納米轉移印刷工藝做出的 6 英寸晶片，與光刻工藝做出來的幾乎無差別。并且，該技術還具有低價、均勻、精密等優勢，在某些應用場景，未來將有可能代替現有的半導體工藝。”西南交通大學智慧城市與智能交通學院副教授趙志俊表示。
上文提及的新型納米轉印技術（CF-NTP，Chemical-free Nanotransfer Printing），是一種基于納米級低熔點效應的直接化學吸附輔助納米轉印技術，可應對從幾十納米到 6 英寸尺寸范圍晶圓的二維或三維納米結構。
該技術系首次在無溶劑、無粘合層的條件下實現納米結構轉印，并可在 3 分鐘完成納米結構的完全轉移，生產良率達 99%。
（來源：ACS Nano）
1 月 3 日，相關論文以《具有晶圓級均勻性和可控性的直接化學吸附輔助納米轉移印刷》（Direct Chemisorption-Assisted Nanotransfer Printing with Wafer-Scale Uniformity and Controllability）為題發表在 ACS Nano 上。
審稿人對該技術評價道：“作者展示了一種非常簡單，但非常有效的納米級轉移印刷方法，有望在未來產生巨大影響。具有高度均勻產量/性能的大面積陣列的演示，是新轉移印刷方法能力的有力證明。這種方法的未來應用是不可想象的。”
圖丨相關論文（來源：ACS Nano）
該技術由新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University，NTU）聯合韓國機械與材料研究所（Korea Institute of Machinery and Materials，KIMM）團隊共同研發，并已申請相關專利。
該論文共同第一作者為西南交通大學智慧城市與智能交通學院副教授趙志俊（原 KIMM 博士后研究員）、NTU 電器與電子工程學院博士后研究員申常浩 ，共同通訊作者為 NTU 電器與電子工程學院助理教授金文浩、KIMM 納米融合機械系統研究部教授鄭俊浩。
?3?分鐘即實現納米結構的完全轉印，生產良率達 99%在全球普遍“缺芯”的大背景下，不僅是汽車芯片的短缺，包括生物芯片以及光學探測儀、AR 虛擬元器件等，都依賴半導體加工工藝實現納米的規則性結構。
然而，傳統半導體工藝面臨單價高、制作過程復雜、耗時長等難題。尤其是在生物傳感領域，如果用納米級半導體工藝去做，不僅價格高，而且“大材小用”。
這種新型納米轉印技術基于均勻的壓力和溫度，在短時間內產生直接轉移到接收襯底上的限定納米結構，可在無溶劑、無粘合層條件下實現納米結構的完全轉移。并且，該技術實現了晶圓級大面積、無瑕疵制造。此外，該技術還具備高度均一性、納米結構可自由調控、制作時間短、芯片良率高、價格低等優勢。
圖丨無化學粘合劑納米轉印技術（CF-NTP）（來源：ACS Nano）
在以往的研究中，納米制造工藝中的“瓶頸”難題，是生產大面積的均一性納米結構。因此，想實現大面積、無瑕疵的晶圓，通常依賴半導體光刻工藝。但是，即便是光刻工藝，其能利用的納米結構面積也有所限制。
而該團隊開發的這種新型納米轉印工藝，通過將無化學納米轉印與金屬輔助化學蝕刻（metal-assisted chemical etching，MacEtch）相結合，實現了對納米結構的“自由調控”。他們將內部硅結構的高寬比做到 200：1，不僅解決了納米結構可利用面積有限的難題，還可對納米結構進行自由調控。
首先，他們使用納米圖案從硅（Si）模版復制聚合物模具。然后，將貴金屬沉積在聚合物模具上，以獲得良好排列的納米圖案。再使用定制的印刷裝置在 160℃?條件下，將制備的納米圖案直接轉印到接收基底。最后，在冷卻 1 分鐘后，將聚合物模具從接收基板上分離，從而形成轉印的納米圖案。
圖丨通過 CF-NTP 方法在各種襯底上的金納米結構的大尺寸照片和 SEM （scanning electron microscope，掃描電子顯微鏡）圖像（來源：ACS Nano）
研究人員利用增強表面對比度的方法，使納米結構可見，進而產生具有高度均勻和可擴展的納米線（圓柱形納米結構）的半導體晶片。結果顯示，該技術的制作時間短、良率高。他們實現了 20 納米厚的金（Au）納米結構，在 160°C 到 200°C 之間，具有 99% 以上的轉移產率。并且，整個完成完全轉印的過程只需要 3 分鐘。
趙志俊指出，“在轉印的過程中，這種新型納米轉印技術能保持高度穩定性。我們通過實驗發現，在整個轉印過程中，其內部的結構并未因轉印受到任何影響。”
此外，該工藝首次實現了無需化學粘合層的納米轉印。傳統的納米轉印技術，通過像膠水一樣的化學粘劑，實現納米結構在晶圓的轉印。然而，通過化學介質的傳統方法因無法實現大面積、均勻性的高效制造、對人體健康也有潛在危害等，這些因素限制了該方法在電子和光子器件的應用。
新型納米轉印技術的難點在于，金屬輔助化學刻蝕工藝只要有化學粘劑，就無法實現催化作用。也就是說，要想通過這種方法實現催化納米結構轉移，就必須做到“無膠”。
于是，趙志俊與申常浩討論，是否可將納米結構的金屬輔助化學刻蝕工藝與納米轉印技術結合，形成一種全新的工藝呢？想法提出后，不少人認為這是“天馬行空”。在他們無數次實驗的過程中，也確實遇到了多重阻礙。
圖丨無化學納米轉印技術（CF-NTP）的機理（來源：ACS Nano）
實驗的最初階段，他們依然采用傳統的化學粘劑方法，結果根本實現不了預期結果。兩項技術結合的難點在于，金屬輔助化學刻蝕工藝只能做到微米級，在更大的尺寸上顯得“無能為力”。
但就在他們快放棄的時候，趙志俊一次做其他工作的實驗結果，讓一切突然變得“柳暗花明”。“在另一項實驗中意外地將兩項技術結合了，雖然當時只做到了點狀面積的轉印，但是這對于我來說，無疑是重新燃起了新的希望。”趙志俊說。
有了新希望，趙志俊和團隊開始不斷地挑戰，通過迭代、優化各種參數，最終實現了從 2 英寸、6 英寸到 8 英寸晶圓級的大面積、無瑕疵制造。
不僅是工藝的開發，終極目標是解決器件的性能問題。因此，該團隊還制作了晶圓級硅納米線的高性能光電探測器，驗證了該工藝的實用性。
結果表明，在 6 英寸硅晶片上，他們成功地制造出 100 個光學探測儀，進一步證明了所得器件的出色均勻性和高性能。
驗證了出色的器件性能后，該團隊開始突破另一個難題——這種現象背后的機理。經歷了近一年的反復研究與細節修訂，趙志俊才從科學原理上逐漸將這種技術解釋清楚。
?為高性能器件和電路應用的開發提供新的思路新型納米轉印技術的開發歷時三年，該技術為高性能器件和電路應用的高通量和可擴展納米結構的開發提供了新的思路。
對于該技術下一步的研究方向，趙志俊表示，將在機理方面進一步地深層挖掘，同時，不斷地優化工藝性能，爭取早日從 8 英寸做到產業需要的更大面積（12 英寸）。
他認為，該技術在納米光子學領域具有應用潛力。例如光伏、納米太陽能電池、電池負極材料、氣體傳感器等。如果將該工藝應用在高端芯片，或將緩解光刻機“卡脖子”難題。
圖丨CF-NTP 和 MacEtch 的組合工藝用于制造高度均勻和大面積的基于硅納米結構的光電探測器（來源：ACS Nano）
該工藝由 NTU、KIMM 共同研發，KIMM 主要負責納米轉印技術的開發，而 NTU 則聚焦于刻蝕工藝與光學器件方面。據悉，該團隊已在韓國和新加坡分別申請國際專利。對于在中國的專利申請，趙志俊也在同步準備中。目前，一些合作計劃正在初步洽談中。
?以長期的科研經驗“厚積薄發”2018 年，趙志俊博士畢業于韓國國立釜山大學機械工程專業。在博士三年級時，以聯合培養身份加入 KIMM 納米機械融合部門，并在那里完成博士后研究，其合作導師為鄭俊浩教授。
他表示，“初到 KIMM 時，剛接觸到微納制造工藝，我看了大量的相關文獻，然后以每天記一個科研 idea 的速度做了大量科研理論儲備。”
圖丨趙志俊（來源：趙志俊）
趙志俊長期從事微納米加工與傳感技術方面的研究，主要開發納米焊接與納米轉印技術。相關工作經驗的累積，也為本次技術的創新打下堅實的基礎。
在他博后研究期間，曾用玻璃轉移溫度的方式在柔性襯底上實現了 8 英寸大面積的納米結構轉印。此外，通過納米焊接技術實現 3D 納米結構，也與這次開發的新型納米轉印技術有“異曲同工之處”。不同的是，納米焊接是金屬與金屬界面之間的鏈接，而新型納米轉印技術為金屬與硅的鏈接。
2021 年，趙志俊選擇歸國，加入西南交通大學錢林茂教授課題組，展開了微納加工與應用方面研究。
據了解，對于該技術的落地方向，KIMM 計劃應用在 Micro-LED 顯示技術、光伏電池；NTU 則在為光學探測元件做準備，包括半導體第三代、第四代襯底等。趙志俊希望盡早推進該技術的產業化應用，“對于該技術在中國市場的產業化落地，我打算在器件方面做一些準備，比如電池的方向。目前，處于樣品準備階段。”趙志俊說。
