半导体图案化技术进展：新型嵌段共聚物实现7.6nm线宽

东京工业大学（Tokyo Tech）和东京大坂工业株式会社（TOK）的科学家报告称，最近开发的一种嵌段共聚物可能有助于突破半导体制造中的集成和小型化极限。该化合物经过化学定制，可实现可靠的定向自组装，可以排列成垂直的层状结构，其半间距宽度小于10纳米，优于传统和广泛使用的嵌段共聚物

小型化是现代电子产品的基本特性之一，也是过去几十年性能惊人增长的主要原因。为了保持这种势头，有必要在半导体芯片上实现比现有电路图案更精细的电路图案，半导体芯片是所有电子设备的关键部分

一些专家估计，到2037年，半导体器件中特征之间的最小距离（称为“半间距”）将需要小至8 nm才能支持下一代电子产品，这强调了光刻工艺（在半导体部件上创建高度复杂的电路图案的方法）的进步

正如人们所料，在任何一种材料上创建如此精细的结构都是一项艰巨的任务。实现这一壮举的一个有前景的途径是使用嵌段共聚物（BCPs）进行定向自组装（DSA）

简单地说，BCP是由两个或多个不同的聚合物部分或块组成的长链状分子。DSA的过程涉及利用BCP中不同块之间的相互作用，使它们自发地、一致地排列成有序的结构和模式

虽然这种策略肯定很强大，但使用DSA产生小于10纳米（低于10纳米）的特征仍然具有挑战性

在2024年7月6日发表在《自然通讯》上的一项研究中，东京科技大学和TOK的研究人员设法突破了这一领域的可能性

在Teruaki Hayakawa教授的带领下，研究小组开发了一种新型BCP，该BCP经过精心调整，可以在基底上以层状畴（由精细和交替层组成的结构）的形式创建令人难以置信的小线条图案。这些微小的图案可以为新的先进半导体器件铺平道路

新开发的BCP是由聚苯乙烯嵌段聚甲基丙烯酸甲酯（或PS-b-PMMA）制成的，这是一种具有代表性且被广泛研究的DSA BCP。首先，研究人员将适量的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）引入PS-b-PMMA中，得到PS-b-（PGMA-r-PMMA）

接下来，他们用不同的硫醇修饰了PGMA片段，旨在改善所得聚合物PS-b-PGFM中不同嵌段之间的排斥相互作用。PS和PMMA片段还控制着分子不同部分对空气的亲和力，这在DSA过程中的自对准过程中起着重要作用

原子力显微镜证实，当作为薄膜应用时，定制的BCP可靠地自组装成极小的纳米层状结构。此外，这种新化合物在具有平行聚苯乙烯化学导向物的基材上显示出令人印象深刻的性能

Hayakawa说：“通过定向自组装，可以可靠且可重复地获得具有垂直取向的薄膜排列层状畴，产生对应于7.6nm半间距尺寸的平行线图案。”。值得一提的是，这是全球报道的没有顶部涂层的薄膜层状结构的最小半间距尺寸之一

总的来说，这些令人兴奋的发现有可能推动半导体制造的尖端技术。

早川总结道：“PS-b-PGFM BCP是用于光刻的有前景的模板，因为它们可以在DSA工艺中产生类似于传统PS-b-PMMA的精细图案，并有可能超越它们。”

他补充道：“未来将研究如何使用PS-b-PGFM薄膜中的线图案作为模板来优化图案转移过程。” More information: Shinsuke Maekawa et al, Chemically tailored block copolymers for highly reliable sub-10-nm patterns by directed self-assembly, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49839-0

Journal information: Nature Communications