嵌段共聚物定向组装(directed self-assembly, DSA, 图1)与多重曝光(multi-patterning)、极紫外光刻(EUV)、纳米压印(NIL)和电子束刻写(E-beam) 被国际半导体行业协会(ITRS)遴选为制备半节距小于16 nm动态随机存储器和集成电路五种潜在的技术方案。其中，由于嵌段共聚物定向组装技术可以高效利用目前支配半导体产业的光刻工艺，并使用成本极低的有机共聚物而备受工业界青睐。最近十年，包括英特尔、IBM、希捷科技、西部数据、三星等国际半导体企业巨头都相继启动了嵌段共聚物薄膜的定向组装研究，以期将这一技术推向产业化。目前，苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物(PS-b-PMMA)由于可使用简单的热退火工艺而成为工业界的标准研发对象，但遗憾的是PS-b-PMMA的热力学相互作用参数较小(χ~0.037, 150 ^oC)，属于弱相分离聚合物，只能得到≥25 nm相分离尺寸，不能满足下一代集成电路工艺节点(半节距<10nm)的技术要求。尽管目前已开发了数以百计的高相互作用参数的嵌段共聚物，但各嵌段相过大的表面能差别导致这些嵌段共聚物都不能有效兼容半导体产业的光刻工艺，成为制约定向组装技术向下一代随机存储器或微处理器挺进的最大障碍。

图1. 化学图案法密度倍增定向组装嵌段共聚物薄膜示意图

针对这一制约定向组装的技术难题，近日浙江大学高分子系伍广朋研究员和徐志康教授研发团队结合前期嵌段共聚物的合成经验(JACS. 2012, 134, 17739、Angew. Chem., 2013, 52, 10602、Macromolecules, 2016, 49, 807)，并与美国阿贡国家实验室和芝加哥大学的Nealey 教授合作，成功开发出了满足下一代集成电路和存储器节点要求的苯乙烯-碳酸丙烯酯嵌段共聚物(PS-b-PPC，图2)。新开发的聚碳酸酯基嵌段共聚物的相互作用参数是苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的两倍之多(χ=0.079, 150 ℃)，更为重要的是该嵌段共聚物可以利用工业界青睐的热退火工艺在化学图案上快速实现无缺陷的定向组装，半节距达到了 8.4 nm（图2），完美兼容目前主流的半导体光刻流程，适用于下一代< 10 nm节点处理器的工艺制作。另外，组装后的高分辨率纳米结构可以高保真的转移至半导体硅基底上，进而实现集成电路和存储器的后期加工。相关研究已申请中国专利，并在线发表在材料类顶级期刊《Nano Letters》上(Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239)。科研助理杨贯文硕士为该论文的第一作者。

图2. 满足下一代集成电路节点要求的PS-b-PPC嵌段共聚物及线状相图形的定向组装

此项研究得到了美国IBM公司的高度评价: 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，这一新材料的报道也吸引了包括美国希捷科技(Seagate)和欧洲微电子研究中心(IMEC)等半导体企业的合作意向，并计划在比利时IMEC中心12英寸硅晶圆工艺流程上进行放大实验。

该研究得到了国家自然科学基金和浙江大学百人计划的支持。另外，这一涉及化学合成、薄膜、半导体材料、微电子和光刻技术的交叉研究也得到了包括大连理工大学、中科院、美国阿贡国家实验室、芝加哥大学和路易斯安纳州立大学等合作单位的协助。

论文链接：

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