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(lái)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(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(ITRS)遴選為制備半節(jié)距小于16 nm動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和集成電路五種潛在的技術(shù)方案。其中,由于嵌段共聚物定向組裝技術(shù)可以高效利用目前支配半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的光刻工藝,并使用成本極低的有機(jī)共聚物而備受工業(yè)界青睞。最近十年,包括英特爾、IBM、希捷科技、西部數(shù)據(jù)、三星等國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)巨頭都相繼啟動(dòng)了嵌段共聚物薄膜的定向組裝研究,以期將這一技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)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(jiǎn)單的熱退火工藝而成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)對(duì)象,但遺憾的是PS-b-PMMA的熱力學(xué)相互作用參數(shù)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(jié)點(diǎn)(半節(jié)距<10nm)的技術(shù)要求。盡管目前已開(kāi)發(fā)了數(shù)以百計(jì)的高相互作用參數(shù)的嵌段共聚物,但各嵌段相過(guò)大的表面能差別導(dǎo)致這些嵌段共聚物都不能有效兼容半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的光刻工藝,成為制約定向組裝技術(shù)向下一代隨機(jī)存儲(chǔ)器或微處理器挺進(jìn)的最大障礙。
針對(duì)這一制約定向組裝的技術(shù)難題,近日浙江大學(xué)高分子系伍廣朋研究員和徐志康教授研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期嵌段共聚物的合成經(jīng)驗(yàn)(JACS. 2012, 134, 17739、Angew. Chem., 2013, 52, 10602、Macromolecules, 2016, 49, 807),并與美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的Nealey 教授合作,成功開(kāi)發(fā)出了滿足下一代集成電路和存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)要求的苯乙烯-碳酸丙烯酯嵌段共聚物(PS-b-PPC,圖2)。新開(kāi)發(fā)的聚碳酸酯基嵌段共聚物的相互作用參數(shù)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(yè)界青睞的熱退火工藝在化學(xué)圖案上快速實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的定向組裝,半節(jié)距達(dá)到了 8.4 nm(圖2),完美兼容目前主流的半導(dǎo)體光刻流程,適用于下一代< 10 nm節(jié)點(diǎn)處理器的工藝制作。另外,組裝后的高分辨率納米結(jié)構(gòu)可以高保真的轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體硅基底上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集成電路和存儲(chǔ)器的后期加工。相關(guān)研究已申請(qǐng)中國(guó)專利,并在線發(fā)表在材料類頂級(jí)期刊《Nano Letters》上(Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239)?蒲兄?xiàng)钬炍拇T士為該論文的第一作者。
此項(xiàng)研究得到了美國(guó)IBM公司的高度評(píng)價(jià): 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(bào)道也吸引了包括美國(guó)希捷科技(Seagate)和歐洲微電子研究中心(IMEC)等半導(dǎo)體企業(yè)的合作意向,并計(jì)劃在比利時(shí)IMEC中心12英寸硅晶圓工藝流程上進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江大學(xué)百人計(jì)劃的支持。另外,這一涉及化學(xué)合成、薄膜、半導(dǎo)體材料、微電子和光刻技術(shù)的交叉研究也得到了包括大連理工大學(xué)、中科院、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、芝加哥大學(xué)和路易斯安納州立大學(xué)等合作單位的協(xié)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(xué)圖案法密度倍增定向組裝嵌段共聚物薄膜示意圖
針對(duì)這一制約定向組裝的技術(shù)難題,近日浙江大學(xué)高分子系伍廣朋研究員和徐志康教授研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期嵌段共聚物的合成經(jīng)驗(yàn)(JACS. 2012, 134, 17739、Angew. Chem., 2013, 52, 10602、Macromolecules, 2016, 49, 807),并與美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的Nealey 教授合作,成功開(kāi)發(fā)出了滿足下一代集成電路和存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)要求的苯乙烯-碳酸丙烯酯嵌段共聚物(PS-b-PPC,圖2)。新開(kāi)發(fā)的聚碳酸酯基嵌段共聚物的相互作用參數(shù)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(yè)界青睞的熱退火工藝在化學(xué)圖案上快速實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的定向組裝,半節(jié)距達(dá)到了 8.4 nm(圖2),完美兼容目前主流的半導(dǎo)體光刻流程,適用于下一代< 10 nm節(jié)點(diǎn)處理器的工藝制作。另外,組裝后的高分辨率納米結(jié)構(gòu)可以高保真的轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體硅基底上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集成電路和存儲(chǔ)器的后期加工。相關(guān)研究已申請(qǐng)中國(guó)專利,并在線發(fā)表在材料類頂級(jí)期刊《Nano Letters》上(Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239)?蒲兄?xiàng)钬炍拇T士為該論文的第一作者。

圖2. 滿足下一代集成電路節(jié)點(diǎn)要求的PS-b-PPC嵌段共聚物及線狀相圖形的定向組裝
此項(xiàng)研究得到了美國(guó)IBM公司的高度評(píng)價(jià): 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(bào)道也吸引了包括美國(guó)希捷科技(Seagate)和歐洲微電子研究中心(IMEC)等半導(dǎo)體企業(yè)的合作意向,并計(jì)劃在比利時(shí)IMEC中心12英寸硅晶圓工藝流程上進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江大學(xué)百人計(jì)劃的支持。另外,這一涉及化學(xué)合成、薄膜、半導(dǎo)體材料、微電子和光刻技術(shù)的交叉研究也得到了包括大連理工大學(xué)、中科院、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、芝加哥大學(xué)和路易斯安納州立大學(xué)等合作單位的協(xié)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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