沿着摩尔定律，传统的光刻技术的分辨率已经接近极限，目前EUVL也只能达到12～13 nm左右的线宽。非传统的“自下而上”的分子自组装DSA技术则突破了传统光刻技术的分辨率极限、能达到10纳米以下线宽的超高分辨率，有望成为下一代的半导体光刻技术。从而引起了人们的广泛关注。DSA (Directed self-assembly) 技术是在193 nm光刻技术之上、通过对DSA嵌段聚合物进行模板导向、定向组装形成光刻条纹。最后通过选择性刻蚀工艺得到高分辨率光刻图形。
传统的DSA材料主要是PS-b-PMMA嵌段共聚物，此类嵌段共聚物的两个嵌段之间的Flory–Huggins相互作用参数较小，即χ值比较低，因此自组装得到的最小特征尺寸只能达到11 nm左右，限制了其在7-5 nm光刻技术中的应用。并且该材料需要在较高温度下（＞ 160 °C）经历长时间退火（＞10 h）才能得到长程有序的低缺陷图案。而现代半导体工艺要求热烘烤在2分钟以下，现有的DSA材料的热退火时间一般10小时以上，无法满足生产工艺要求，因此研发快速自组装的高分辨率DSA材料至关重要。
复旦大学高分子科学系，聚合物分子工程国家重点实验室邓海教授团队经过深入的探索，设计并合成了一种新型的 5 nm 分辨率的、低温快速的DSA材料 PS-b- PPDFMA。在拥有极高分辨率的同时，能够快速退火组装形成线条图案，为目前已知的最快的 DSA 材料。此研究成果为下一代5 nm的光刻技术提供了新的可能性 (图 1)。
图 1. Sub-5 nm嵌段聚合物结构及其相应的SAXS,TEM表征
PS-b-PPDFMA 嵌段聚合物可以在80 °C经历 1 min退火后快速形成自组装结构。图2 中为两种不同分子量的嵌段聚合物材料，在不同时间和温度下自组装所得到的SAXS结果。经过分析比较，该材料在80 °C, 1 min 退火后即可得到有序的组装结构，继续加热到160 °C 24 h，其结构尺寸不变 (图2)。
图 2. 嵌段聚合物在不同时间和温度退火后自组装的小角X射线散射图
此外，为进一步证明该材料在模板中的快速DSA性能，研究人员在Si模板中对聚合物材料进行旋涂，分别经过80 °C, 1 min和80 °C, 5 min热退火后，得到了长程有序的组装线条，且特征尺寸与SAXS结果一致(图3)。
图 3. 嵌段聚合物 PS-b-PPDFMA 分别经历（a）80 °C, 1 min（a）80 °C, 5 min退火在模板中进行DSA导向自组装，得到长程有序的线条图案
在中国科技部，上海市科学技术委员会及复旦大学的大力支持下，复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室邓海教授课题组在5 nm以下低温快速导向自组装材料研究方面取得突破进展，第一作者为博士生李雪苗，相关成果发表在(Journal of Materials Chemistry C, 2019, DOI: 10.1039 /C8TC06480F)。在此基础上，该课题组将进一步探索5 nm以下的高分辨率嵌段聚合物组装机理以及其在光刻领域和多功能器件中的应用。
文章链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/tc/c8tc06480f
来源：复旦高材生
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