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復旦大學熊詩圣及美國合作團隊《Nat. Commun.》:嵌段共聚物光刻的邊界導向外延法
2020-08-25  來源:高分子科技

  當前,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衍射極限的制約。嵌段共聚物導向自組裝光刻依賴分子級的自組裝機制,徹底顛覆了傳統(tǒng)“光學 + 掩模”光刻技術的工作原理,成為1-5納米工藝節(jié)點的芯片制造具有競爭力的解決方案。近日,復旦大學熊詩圣研究員聯(lián)合威斯康星大學、芝加哥大學、浙江大學等單位開發(fā)了一種新型邊界導向外延法,大幅度降低了引導圖案的加工難度。


  導向自組裝光刻技術作為下一代光刻技術的主要備選方案,具有低成本,高通量,延續(xù)性好等巨大優(yōu)勢,目前正處于從實驗室到工業(yè)界的關鍵技術轉移階段。導向自組裝光刻工藝自2007年被列入國際半導體光刻工藝發(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足的進步,先后在歐洲微電子研究中心(IMEC)以及IBM等研究機構的300毫米先導線上試運行。嵌段共聚物在硅片上進行導向自組裝目前有物理結構約束法(Graphoepitaxy)和化學外延法(Chemoepitaxy)。然而,這兩種方法都存在一些不足之處,例如物理結構約束法對凹槽結構非常敏感,化學外延法需要預先制作高精度的化學預圖案,并且無法進行自組裝形成各種復雜的結構等。


  復旦大學熊詩圣研究員通過合作研究(Scientific Reports, 2016)發(fā)現(xiàn),邊界導向外延法可以很好地彌補上述的不足。經化學氣相沉積在Ge表面生長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行導向自組裝形成垂直于表面的片狀結構;而在無石墨烯的Ge表面區(qū)域形成平行的片狀結構。石墨烯納米帶的長寬比可以高達百倍,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數量級。該方法不僅簡單有效,而且能夠形成各種復雜的結構,例如T型節(jié)點(T-junctions)、jog和彎曲型,對于微電子器件的制備具有重要意義。同時,聯(lián)合研究團隊還采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法對嵌段共聚物的導向自組裝演化過程進行模擬,最終得到的結果與實驗觀察的結果相一致。


圖1. 嵌段共聚物的邊界導向外延法。圖片來源:Nat. Commun.


圖2. 邊界導向外延法形成的圖案。圖片來源:Nat. Commun.


圖3. 蒙特卡羅模擬結果。圖片來源:Nat. Commun.


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


  這一成果近期發(fā)表在Nature Communication上,復旦大學熊詩圣研究員威斯康星大學Mike Arnold教授共同領導了項目的大部分實驗和論文撰寫部分。芝加哥大學Paul Nealey院士對于項目的前期研究進行了資助和指導建議。浙江大學伍廣鵬團隊提供了自組裝實驗用到的主要嵌段共聚物材料,韓國慶南大學Su-Mi Hur團隊應熊詩圣研究員邀請,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

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