当前，芯片制造工艺中的核心光刻工艺在深纳米尺寸范围正面临光学衍射极限的制约。嵌段共聚物导向自组装光刻依赖分子级的自组装机制，彻底颠覆了传统“光学 + 掩模”光刻技术的工作原理，成为1-5纳米工艺节点的芯片制造具有竞争力的解决方案。近日，复旦大学熊诗圣研究员联合威斯康星大学、芝加哥大学、浙江大学等单位开发了一种新型边界导向外延法，大幅度降低了引导图案的加工难度。
导向自组装光刻技术作为下一代光刻技术的主要备选方案，具有低成本，高通量，延续性好等巨大优势，目前正处于从实验室到工业界的关键技术转移阶段。导向自组装光刻工艺自2007年被列入国际半导体光刻工艺发展路线图以来，已在分辨率、缺陷密度、逻辑电子器件制备等方面取得长足的进步，先后在欧洲微电子研究中心(IMEC)以及IBM等研究机构的300毫米先导线上试运行。嵌段共聚物在硅片上进行导向自组装目前有物理结构约束法(Graphoepitaxy)和化学外延法(Chemoepitaxy)。然而，这两种方法都存在一些不足之处，例如物理结构约束法对凹槽结构非常敏感，化学外延法需要预先制作高精度的化学预图案，并且无法进行自组装形成各种复杂的结构等。
复旦大学熊诗圣研究员通过合作研究（Scientific Reports, 2016）发现，边界导向外延法可以很好地弥补上述的不足。经化学气相沉积在Ge表面生长的原子层厚度石墨烯作为完美的自组装模板。嵌段共聚物在石墨烯与Ge相交的边界处由边界开始向中心进行导向自组装形成垂直于表面的片状结构；而在无石墨烯的Ge表面区域形成平行的片状结构。石墨烯纳米带的长宽比可以高达百倍，而嵌段共聚物在二维衬底之上的自组装层状相形貌沿长轴方向排列。相比于常规的高分子刷修饰表面上的自组装，其缺陷率降低了几个数量级。该方法不仅简单有效，而且能够形成各种复杂的结构，例如T型节点(T-junctions)、jog和弯曲型，对于微电子器件的制备具有重要意义。同时，联合研究团队还采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对嵌段共聚物的导向自组装演化过程进行模拟，最终得到的结果与实验观察的结果相一致。
图1. 嵌段共聚物的边界导向外延法。图片来源：Nat. Commun.
图2. 边界导向外延法形成的图案。图片来源：Nat. Commun.
图3. 蒙特卡罗模拟结果。图片来源：Nat. Commun.
边界导向外延法是一种非常有前景的导向自组装光刻技术，可大大简化自组装光刻所需引导预图案的制备工艺。在未来，可用该技术制备各种定向孤立线阵列、孤立线阵列的上层结构、T型结构和弯曲结构，这些结构在逻辑与存储器件制备将发挥功效。熊诗圣及合作者团队开发的嵌段共聚物边界导向外延法为10纳米以下的光刻工艺提供了一条简单、可靠的路线。
这一成果近期发表在Nature Communication上，复旦大学熊诗圣研究员与威斯康星大学Mike Arnold教授共同领导了项目的大部分实验和论文撰写部分。芝加哥大学Paul Nealey院士对于项目的前期研究进行了资助和指导建议。浙江大学伍广鹏团队提供了自组装实验用到的主要嵌段共聚物材料，韩国庆南大学Su-Mi Hur团队应熊诗圣研究员邀请，帮助完成了蒙地卡罗模拟仿真研究。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17938-3
Boundary-directed epitaxy of block copolymers
Robert M. Jacobberger, Vikram Thapar, Guang-Peng Wu, Tzu-Hsuan Chang, Vivek Saraswat, Austin J. Way, Katherine R. Jinkins, Zhenqiang Ma, Paul F. Nealey, Su-Mi Hur, Shisheng Xiong & Michael S. Arnold
Nat. Commun., 2020, 11, 4151, DOI: 10.1038/s41467-020-17938-3
相关进展
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中国人民大学金朝霞课题组在溶剂交换自组装形成嵌段共聚物盘状结构方面取得新进展
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