尽管纳米压印技术具有高分辨率、低制造成本等技术优势，被学术界和产业界寄予了厚望，然而面向非平坦、脆性晶圆级半导体衬底表面的纳米结构制造时，纳米压印面临着多方面的技术挑战。首先，随着晶圆尺寸的扩展，模具与翘曲/非平坦衬底的共形接触难度逐渐增加，容易导致气泡受限，例如4英寸的LED外延片表面面形峰谷值超过150 μm，模具与衬底间的共形接触极其困难。其次，薄、脆、易碎是大多类半导体晶圆衬底的共同属性，机械力加载过程极易损伤晶圆衬底/模板，如何避免机械压力引起的模板/衬底破损，是纳米压印应用于半导体衬底压印的另一难题。最后，纳米压印作为一种光刻技术，压印结构的底层残留膜厚度均匀性直接影响后续图形转移的均匀性，而衬底的翘曲/不平度、局部压印应力的不均匀性等易引起残留膜厚度的不均匀性，如何实现压印结构残留膜厚度的最大化均匀性，是非平坦衬底表面纳米压印的又一挑战。
为了解决脆性、非平坦晶圆衬底的整片纳米压印光刻图形化的难题，西安交通大学研究团队提出了气电协同控制纳米压印原理和装备[96]，如图4.7（a），其中“气”是指通过气阀板上平行分布气槽的真空和正压力状态的切换来实现柔性模具的分区控制；“电”是指在柔性透明导电模具和衬底之间引入一定的外加电场来驱动模具与衬底的接触过程。气电协同控制纳米压印系统包括两大核心内容，即柔性透明导电模具和气阀板，其中柔性透明导电模具通过真空吸附固定于气阀板上，与晶圆衬底表面平行并保留一定的间隙；然后从一侧开始，气槽逐渐由真空切换至正压状态，释放模具，并且在电场作用下模具逐渐与晶圆衬底表面形成接触，且不断扩大接触面积；柔性透明导电模具完全摊铺于整个晶圆表面，同时在电场作用下模具表面微纳结构腔体被液体压印胶所完全填充；保持电场，压印胶紫外光辐照固化；最后切断电场，从一侧开始，气槽逐渐切回真空状态，柔性模具从晶圆表面揭开，完成脱模。
分区域逐级控制策略保障了柔性模具与衬底间的接触均匀性，避免了接触线闭合过程中因衬底局部凸凹而产生的气泡缺陷，实现了柔性模具与晶圆衬底表面的完全接触。由于驱动柔性透明导电模具在晶圆表面摊铺的作用力主要由电致液桥力和静电吸引力两部分组成，可由外加电场调制[97, 98]，因此相较于传统的机械载荷或者自然毛细驱动力，电致驱动力可以通过外加电场参数的调节而灵活调控，可为柔性模具在晶圆表面的贴合提供驱动力。更重要的是，电致液桥力或者静电吸引力，是一种表面力作用形式，避免了压印过程中的机械压力载荷，从根本上避免了晶圆的应力破坏。同时，柔性透明导电模具与晶圆完全接触后，对极板间距敏感的静电吸引力继续调控两者的接触状态，进一步驱动液态压印胶继续流变，直至柔性模具约束下压印胶表面微观形貌共形于晶圆衬底的形貌。
基于气电协同控制纳米压印原理，西安交通大学开发了面向4英寸脆性非平坦衬底的表面纳米压印光刻制造装备，如图4.7（b），设计了基于ITO与银纳米线网格复合电极的柔性透明导电模具[99]。气电协同的纳米结构压印精度优于100 nm，4英寸衬底表面纳米结构的制造效率超过40片/时，可适应的衬底翘曲度超过200 μm。利用气电协同控制纳米压印光刻装备，实现了LED翘曲外延衬底表面的光子晶体纳米图形化，不同区域纳米孔结构留底膜厚度的非均匀性偏差小于胶层整体厚度±1%。与离散支撑模具相结合，如图4.7（c）；实现了包含污染颗粒甚至微台阶凸起衬底表面的纳米图形化，如图4.7（d）；在此基础上，进一步开发了与LED芯片产业制程具有良好兼容性的LED芯片增亮工艺，使产业芯片发光效率较图形化前提高了41.6%，如图4.7（e）。(www.xing528.com)
图4.7 气电协同纳米压印光刻原理、装备及应用
（a）非平坦表面共形接触的有限元计算；（b）离散支撑模板对台阶衬底表面的适应性；（c）晶圆级非平坦衬底表面的光子晶体纳米结构压印；（d）气电协同纳米压印装备；（e）LED芯片表面光子晶体结构压印
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