浙大高分子系在嵌段共聚物定向組裝研究取得新成果
2017-02-14 來源：浙大高分子系
嵌段共聚物定向組裝(directed self-assembly, DSA, 圖1)與多重曝光(multi-patterning)、極紫外光刻(EUV)、納米壓印(NIL)和電子束刻寫(E-beam) 被國際半導體行業協會(ITRS)遴選為制備半節距小于16 nm動態隨機存儲器和集成電路五種潛在的技術方案。其中，由于嵌段共聚物定向組裝技術可以高效利用目前支配半導體產業的光刻工藝，并使用成本極低的有機共聚物而備受工業界青睞。最近十年，包括英特爾、IBM、希捷科技、西部數據、三星等國際半導體企業巨頭都相繼啟動了嵌段共聚物薄膜的定向組裝研究，以期將這一技術推向產業化。目前，苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物(PS-b-PMMA)由于可使用簡單的熱退火工藝而成為工業界的標準研發對象，但遺憾的是PS-b-PMMA的熱力學相互作用參數較小(χ~0.037, 150 oC)，屬于弱相分離聚合物，只能得到≥25 nm相分離尺寸，不能滿足下一代集成電路工藝節點(半節距<10nm)的技術要求。盡管目前已開發了數以百計的高相互作用參數的嵌段共聚物，但各嵌段相過大的表面能差別導致這些嵌段共聚物都不能有效兼容半導體產業的光刻工藝，成為制約定向組裝技術向下一代隨機存儲器或微處理器挺進的最大障礙。
針對這一制約定向組裝的技術難題，近日浙江大學高分子系伍廣朋研究員和徐志康教授研發團隊結合前期嵌段共聚物的合成經驗(JACS. 2012, 134, 17739、Angew. Chem., 2013, 52, 10602、Macromolecules, 2016, 49, 807)，并與美國阿貢國家實驗室和芝加哥大學的Nealey 教授合作，成功開發出了滿足下一代集成電路和存儲器節點要求的苯乙烯-碳酸丙烯酯嵌段共聚物(PS-b-PPC，圖2)。新開發的聚碳酸酯基嵌段共聚物的相互作用參數是苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的兩倍之多(χ=0.079, 150 ℃)，更為重要的是該嵌段共聚物可以利用工業界青睞的熱退火工藝在化學圖案上快速實現無缺陷的定向組裝，半節距達到了 8.4 nm（圖2），完美兼容目前主流的半導體光刻流程，適用于下一代< 10 nm節點處理器的工藝制作。另外，組裝后的高分辨率納米結構可以高保真的轉移至半導體硅基底上，進而實現集成電路和存儲器的后期加工。相關研究已申請中國專利，并在線發表在材料類頂級期刊《Nano Letters》上(Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239)。科研助理楊貫文碩士為該論文的第一作者。
此項研究得到了美國IBM公司的高度評價: The capability of this block copolymer (PS-b-PPC) to pattern at very small scales (~8 nm half pitch) using only thermal annealing to promote ordering, while piggybacking on the materials and process flows used for PS-PMMA, make it possibly the best candidate for next generation directed self-assembly that we have seen so far。另外，這一新材料的報道也吸引了包括美國希捷科技(Seagate)和歐洲微電子研究中心(IMEC)等半導體企業的合作意向，并計劃在比利時IMEC中心12英寸硅晶圓工藝流程上進行放大實驗。
該研究得到了國家自然科學基金和浙江大學百人計劃的支持。另外，這一涉及化學合成、薄膜、半導體材料、微電子和光刻技術的交叉研究也得到了包括大連理工大學、中科院、美國阿貢國家實驗室、芝加哥大學和路易斯安納州立大學等合作單位的協助。
論文鏈接：
Directed Self-Assembly of Polystyrene-b-poly(propylene carbonate) on Chemical Patterns via Thermal Annealing for Next-Generation Lithography, Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b05059
圖1. 化學圖案法密度倍增定向組裝嵌段共聚物薄膜示意圖
針對這一制約定向組裝的技術難題，近日浙江大學高分子系伍廣朋研究員和徐志康教授研發團隊結合前期嵌段共聚物的合成經驗(JACS. 2012, 134, 17739、Angew. Chem., 2013, 52, 10602、Macromolecules, 2016, 49, 807)，并與美國阿貢國家實驗室和芝加哥大學的Nealey 教授合作，成功開發出了滿足下一代集成電路和存儲器節點要求的苯乙烯-碳酸丙烯酯嵌段共聚物(PS-b-PPC，圖2)。新開發的聚碳酸酯基嵌段共聚物的相互作用參數是苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的兩倍之多(χ=0.079, 150 ℃)，更為重要的是該嵌段共聚物可以利用工業界青睞的熱退火工藝在化學圖案上快速實現無缺陷的定向組裝，半節距達到了 8.4 nm（圖2），完美兼容目前主流的半導體光刻流程，適用于下一代< 10 nm節點處理器的工藝制作。另外，組裝后的高分辨率納米結構可以高保真的轉移至半導體硅基底上，進而實現集成電路和存儲器的后期加工。相關研究已申請中國專利，并在線發表在材料類頂級期刊《Nano Letters》上(Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239)。科研助理楊貫文碩士為該論文的第一作者。
圖2. 滿足下一代集成電路節點要求的PS-b-PPC嵌段共聚物及線狀相圖形的定向組裝
此項研究得到了美國IBM公司的高度評價: The capability of this block copolymer (PS-b-PPC) to pattern at very small scales (~8 nm half pitch) using only thermal annealing to promote ordering, while piggybacking on the materials and process flows used for PS-PMMA, make it possibly the best candidate for next generation directed self-assembly that we have seen so far。另外，這一新材料的報道也吸引了包括美國希捷科技(Seagate)和歐洲微電子研究中心(IMEC)等半導體企業的合作意向，并計劃在比利時IMEC中心12英寸硅晶圓工藝流程上進行放大實驗。
該研究得到了國家自然科學基金和浙江大學百人計劃的支持。另外，這一涉及化學合成、薄膜、半導體材料、微電子和光刻技術的交叉研究也得到了包括大連理工大學、中科院、美國阿貢國家實驗室、芝加哥大學和路易斯安納州立大學等合作單位的協助。
論文鏈接：
Directed Self-Assembly of Polystyrene-b-poly(propylene carbonate) on Chemical Patterns via Thermal Annealing for Next-Generation Lithography, Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b05059
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（責任編輯：xu）
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