“通过无化学粘合层纳米转移印刷工艺做出的 6 英寸晶片，与光刻工艺做出来的几乎无差别。并且，该技术还具有低价、均匀、精密等优势，在某些应用场景，未来将有可能代替现有的半导体工艺。”西南交通大学智慧城市与智能交通学院副教授赵志俊表示。
上文提及的新型纳米转印技术（CF-NTP，Chemical-free Nanotransfer Printing），是一种基于纳米级低熔点效应的直接化学吸附辅助纳米转印技术，可应对从几十纳米到 6 英寸尺寸范围晶圆的二维或三维纳米结构。
该技术系首次在无溶剂、无粘合层的条件下实现纳米结构转印，并可在 3 分钟完成纳米结构的完全转移，生产良率达 99%。
（来源：ACS Nano）
1 月 3 日，相关论文以《具有晶圆级均匀性和可控性的直接化学吸附辅助纳米转移印刷》（Direct Chemisorption-Assisted Nanotransfer Printing with Wafer-Scale Uniformity and Controllability）为题发表在 ACS Nano 上。
审稿人对该技术评价道：“作者展示了一种非常简单，但非常有效的纳米级转移印刷方法，有望在未来产生巨大影响。具有高度均匀产量/性能的大面积阵列的演示，是新转移印刷方法能力的有力证明。这种方法的未来应用是不可想象的。”
图丨相关论文（来源：ACS Nano）
该技术由新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University，NTU）联合韩国机械与材料研究所（Korea Institute of Machinery and Materials，KIMM）团队共同研发，并已申请相关专利。
该论文共同第一作者为西南交通大学智慧城市与智能交通学院副教授赵志俊（原 KIMM 博士后研究员）、NTU 电器与电子工程学院博士后研究员申常浩 ，共同通讯作者为 NTU 电器与电子工程学院助理教授金文浩、KIMM 纳米融合机械系统研究部教授郑俊浩。
3 分钟即实现纳米结构的完全转印，生产良率达 99%在全球普遍“缺芯”的大背景下，不仅是汽车芯片的短缺，包括生物芯片以及光学探测仪、AR 虚拟元器件等，都依赖半导体加工工艺实现纳米的规则性结构。
然而，传统半导体工艺面临单价高、制作过程复杂、耗时长等难题。尤其是在生物传感领域，如果用纳米级半导体工艺去做，不仅价格高，而且“大材小用”。
这种新型纳米转印技术基于均匀的压力和温度，在短时间内产生直接转移到接收衬底上的限定纳米结构，可在无溶剂、无粘合层条件下实现纳米结构的完全转移。并且，该技术实现了晶圆级大面积、无瑕疵制造。此外，该技术还具备高度均一性、纳米结构可自由调控、制作时间短、芯片良率高、价格低等优势。
图丨无化学粘合剂纳米转印技术（CF-NTP）（来源：ACS Nano）
在以往的研究中，纳米制造工艺中的“瓶颈”难题，是生产大面积的均一性纳米结构。因此，想实现大面积、无瑕疵的晶圆，通常依赖半导体光刻工艺。但是，即便是光刻工艺，其能利用的纳米结构面积也有所限制。
而该团队开发的这种新型纳米转印工艺，通过将无化学纳米转印与金属辅助化学蚀刻（metal-assisted chemical etching，MacEtch）相结合，实现了对纳米结构的“自由调控”。他们将内部硅结构的高宽比做到 200：1，不仅解决了纳米结构可利用面积有限的难题，还可对纳米结构进行自由调控。
首先，他们使用纳米图案从硅（Si）模版复制聚合物模具。然后，将贵金属沉积在聚合物模具上，以获得良好排列的纳米图案。再使用定制的印刷装置在 160℃ 条件下，将制备的纳米图案直接转印到接收基底。最后，在冷却 1 分钟后，将聚合物模具从接收基板上分离，从而形成转印的纳米图案。
图丨通过 CF-NTP 方法在各种衬底上的金纳米结构的大尺寸照片和 SEM （scanning electron microscope，扫描电子显微镜）图像（来源：ACS Nano）
研究人员利用增强表面对比度的方法，使纳米结构可见，进而产生具有高度均匀和可扩展的纳米线（圆柱形纳米结构）的半导体晶片。结果显示，该技术的制作时间短、良率高。他们实现了 20 纳米厚的金（Au）纳米结构，在 160°C 到 200°C 之间，具有 99% 以上的转移产率。并且，整个完成完全转印的过程只需要 3 分钟。
赵志俊指出，“在转印的过程中，这种新型纳米转印技术能保持高度稳定性。我们通过实验发现，在整个转印过程中，其内部的结构并未因转印受到任何影响。”
此外，该工艺首次实现了无需化学粘合层的纳米转印。传统的纳米转印技术，通过像胶水一样的化学粘剂，实现纳米结构在晶圆的转印。然而，通过化学介质的传统方法因无法实现大面积、均匀性的高效制造、对人体健康也有潜在危害等，这些因素限制了该方法在电子和光子器件的应用。
新型纳米转印技术的难点在于，金属辅助化学刻蚀工艺只要有化学粘剂，就无法实现催化作用。也就是说，要想通过这种方法实现催化纳米结构转移，就必须做到“无胶”。
于是，赵志俊与申常浩讨论，是否可将纳米结构的金属辅助化学刻蚀工艺与纳米转印技术结合，形成一种全新的工艺呢？想法提出后，不少人认为这是“天马行空”。在他们无数次实验的过程中，也确实遇到了多重阻碍。
图丨无化学纳米转印技术（CF-NTP）的机理（来源：ACS Nano）
实验的最初阶段，他们依然采用传统的化学粘剂方法，结果根本实现不了预期结果。两项技术结合的难点在于，金属辅助化学刻蚀工艺只能做到微米级，在更大的尺寸上显得“无能为力”。
但就在他们快放弃的时候，赵志俊一次做其他工作的实验结果，让一切突然变得“柳暗花明”。“在另一项实验中意外地将两项技术结合了，虽然当时只做到了点状面积的转印，但是这对于我来说，无疑是重新燃起了新的希望。”赵志俊说。
有了新希望，赵志俊和团队开始不断地挑战，通过迭代、优化各种参数，最终实现了从 2 英寸、6 英寸到 8 英寸晶圆级的大面积、无瑕疵制造。
不仅是工艺的开发，终极目标是解决器件的性能问题。因此，该团队还制作了晶圆级硅纳米线的高性能光电探测器，验证了该工艺的实用性。
结果表明，在 6 英寸硅晶片上，他们成功地制造出 100 个光学探测仪，进一步证明了所得器件的出色均匀性和高性能。
验证了出色的器件性能后，该团队开始突破另一个难题——这种现象背后的机理。经历了近一年的反复研究与细节修订，赵志俊才从科学原理上逐渐将这种技术解释清楚。
为高性能器件和电路应用的开发提供新的思路新型纳米转印技术的开发历时三年，该技术为高性能器件和电路应用的高通量和可扩展纳米结构的开发提供了新的思路。
对于该技术下一步的研究方向，赵志俊表示，将在机理方面进一步地深层挖掘，同时，不断地优化工艺性能，争取早日从 8 英寸做到产业需要的更大面积（12 英寸）。
他认为，该技术在纳米光子学领域具有应用潜力。例如光伏、纳米太阳能电池、电池负极材料、气体传感器等。如果将该工艺应用在高端芯片，或将缓解光刻机“卡脖子”难题。
图丨CF-NTP 和 MacEtch 的组合工艺用于制造高度均匀和大面积的基于硅纳米结构的光电探测器（来源：ACS Nano）
该工艺由 NTU、KIMM 共同研发，KIMM 主要负责纳米转印技术的开发，而 NTU 则聚焦于刻蚀工艺与光学器件方面。据悉，该团队已在韩国和新加坡分别申请国际专利。对于在中国的专利申请，赵志俊也在同步准备中。目前，一些合作计划正在初步洽谈中。
以长期的科研经验“厚积薄发”2018 年，赵志俊博士毕业于韩国国立釜山大学机械工程专业。在博士三年级时，以联合培养身份加入 KIMM 纳米机械融合部门，并在那里完成博士后研究，其合作导师为郑俊浩教授。
他表示，“初到 KIMM 时，刚接触到微纳制造工艺，我看了大量的相关文献，然后以每天记一个科研 idea 的速度做了大量科研理论储备。”
图丨赵志俊（来源：赵志俊）
赵志俊长期从事微纳米加工与传感技术方面的研究，主要开发纳米焊接与纳米转印技术。相关工作经验的累积，也为本次技术的创新打下坚实的基础。
在他博后研究期间，曾用玻璃转移温度的方式在柔性衬底上实现了 8 英寸大面积的纳米结构转印。此外，通过纳米焊接技术实现 3D 纳米结构，也与这次开发的新型纳米转印技术有“异曲同工之处”。不同的是，纳米焊接是金属与金属界面之间的链接，而新型纳米转印技术为金属与硅的链接。
2021 年，赵志俊选择归国，加入西南交通大学钱林茂教授课题组，展开了微纳加工与应用方面研究。
据了解，对于该技术的落地方向，KIMM 计划应用在 Micro-LED 显示技术、光伏电池；NTU 则在为光学探测元件做准备，包括半导体第三代、第四代衬底等。赵志俊希望尽早推进该技术的产业化应用，“对于该技术在中国市场的产业化落地，我打算在器件方面做一些准备，比如电池的方向。目前，处于样品准备阶段。”赵志俊说。
