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  當(dāng)前，芯片制造工藝中的核心光刻工藝在深納米尺寸范圍正面臨光學(xué)衍射極限的制約。嵌段共聚物導(dǎo)向自組裝光刻依賴分子級(jí)的自組裝機(jī)制，徹底顛覆了傳統(tǒng)“光學(xué) + 掩�！惫饪碳夹g(shù)的工作原理，成為1-5納米工藝節(jié)點(diǎn)的芯片制造具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。近日，復(fù)旦大學(xué)熊詩圣研究員聯(lián)合威斯康星大學(xué)、芝加哥大學(xué)、浙江大學(xué)等單位開發(fā)了一種新型邊界導(dǎo)向外延法，大幅度降低了引導(dǎo)圖案的加工難度。

  導(dǎo)向自組裝光刻技術(shù)作為下一代光刻技術(shù)的主要備選方案，具有低成本，高通量，延續(xù)性好等巨大優(yōu)勢(shì)，目前正處于從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)界的關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)移階段。導(dǎo)向自組裝光刻工藝自2007年被列入國際半導(dǎo)體光刻工藝發(fā)展路線圖以來，已在分辨率、缺陷密度、邏輯電子器件制備等方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，先后在歐洲微電子研究中心(IMEC)以及IBM等研究機(jī)構(gòu)的300毫米先導(dǎo)線上試運(yùn)行。嵌段共聚物在硅片上進(jìn)行導(dǎo)向自組裝目前有物理結(jié)構(gòu)約束法(Graphoepitaxy)和化學(xué)外延法(Chemoepitaxy)。然而，這兩種方法都存在一些不足之處，例如物理結(jié)構(gòu)約束法對(duì)凹槽結(jié)構(gòu)非常敏感，化學(xué)外延法需要預(yù)先制作高精度的化學(xué)預(yù)圖案，并且無法進(jìn)行自組裝形成各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等。

  復(fù)旦大學(xué)熊詩圣研究員通過合作研究（Scientific Reports, 2016）發(fā)現(xiàn)，邊界導(dǎo)向外延法可以很好地彌補(bǔ)上述的不足。經(jīng)化學(xué)氣相沉積在Ge表面生長(zhǎng)的原子層厚度石墨烯作為完美的自組裝模板。嵌段共聚物在石墨烯與Ge相交的邊界處由邊界開始向中心進(jìn)行導(dǎo)向自組裝形成垂直于表面的片狀結(jié)構(gòu)；而在無石墨烯的Ge表面區(qū)域形成平行的片狀結(jié)構(gòu)。石墨烯納米帶的長(zhǎng)寬比可以高達(dá)百倍，而嵌段共聚物在二維襯底之上的自組裝層狀相形貌沿長(zhǎng)軸方向排列。相比于常規(guī)的高分子刷修飾表面上的自組裝，其缺陷率降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。該方法不僅簡(jiǎn)單有效，而且能夠形成各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如T型節(jié)點(diǎn)(T-junctions)、jog和彎曲型，對(duì)于微電子器件的制備具有重要意義。同時(shí)，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)還采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法對(duì)嵌段共聚物的導(dǎo)向自組裝演化過程進(jìn)行模擬，最終得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果相一致。

圖1. 嵌段共聚物的邊界導(dǎo)向外延法。圖片來源：Nat. Commun.

圖2. 邊界導(dǎo)向外延法形成的圖案。圖片來源：Nat. Commun.

圖3. 蒙特卡羅模擬結(jié)果。圖片來源：Nat. Commun.

  邊界導(dǎo)向外延法是一種非常有前景的導(dǎo)向自組裝光刻技術(shù)，可大大簡(jiǎn)化自組裝光刻所需引導(dǎo)預(yù)圖案的制備工藝。在未來，可用該技術(shù)制備各種定向孤立線陣列、孤立線陣列的上層結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)和彎曲結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在邏輯與存儲(chǔ)器件制備將發(fā)揮功效。熊詩圣及合作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的嵌段共聚物邊界導(dǎo)向外延法為10納米以下的光刻工藝提供了一條簡(jiǎn)單、可靠的路線。

  這一成果近期發(fā)表在Nature Communication上，復(fù)旦大學(xué)熊詩圣研究員與威斯康星大學(xué)Mike Arnold教授共同領(lǐng)導(dǎo)了項(xiàng)目的大部分實(shí)驗(yàn)和論文撰寫部分。芝加哥大學(xué)Paul Nealey院士對(duì)于項(xiàng)目的前期研究進(jìn)行了資助和指導(dǎo)建議。浙江大學(xué)伍廣鵬團(tuán)隊(duì)提供了自組裝實(shí)驗(yàn)用到的主要嵌段共聚物材料，韓國慶南大學(xué)Su-Mi Hur團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)熊詩圣研究員邀請(qǐng)，幫助完成了蒙地卡羅模擬仿真研究。

  論文信息：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