东京工业大学(TokyoTech)和东京应化工业株式会社(TOK)的科学家报告称，最近开发的一种嵌段共聚物有助于突破半导体制造集成化和小型化的极限。该化合物经过化学定制，可实现可靠的定向自组装，可自行排列成半节距宽度小于10纳米的垂直层状结构，性能优于传统且广泛使用的嵌段共聚物。

半导体图案化技术取得进展新型嵌段共聚物实现7.6纳米线宽

微型化是现代电子产品的基本特性之一，也是过去几十年来性能飞速提升的主要原因。为了保持这一势头，必须在半导体芯片上实现比现有电路更精细的电路图案，而半导体芯片是所有电子设备的重要组成部分。

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“半节距”)将需要小到8纳米，以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电路图案的方法)进步的必要性。

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。实现这一壮举的一种有希望的途径是使用嵌段共聚物(BCP)进行定向自组装(DSA)。

简而言之，BCP是由两个或多个不同部分(或块)的聚合物组成的长链状分子。DSA过程涉及利用BCP中不同块之间的相互作用，使它们自发且一致地排列成有序的结构和模式。

虽然这种策略确实很强大，但使用DSA产生小于10纳米(亚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，东京工业大学和东京理工大学的研究人员成功突破了该领域的可能性。

在TeruakiHayakawa教授的带领下，研究团队开发了一种新型BCP，经过精心改造，可以在基板上以层状域(由精细层和交替层组成的结构)的形式创建极小的线图案。这些微小的图案可以为新型先进半导体器件铺平道路。

新开发的BCP由聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯(PS-b-PMMA)制成，PS-b-PMMA是DSA中具有代表性且研究广泛的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，得到PS-b-(PGMA-r-PMMA)。

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

原子力显微镜证实，定制的BCP在以薄膜形式应用时能够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的基质上表现出令人印象深刻的性能。

Hayakawa表示：“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对齐层状域，从而产生对应于半节距尺寸7.6纳米的平行线图案。”值得一提的是，这是全球报道的无顶涂层薄膜层状结构最小的半节距尺寸之一。

总的来说，这些令人兴奋的发现有可能推动半导体制造领域的尖端技术的发展。

Hayakawa总结道：“PS-b-PGFMBCP是用于光刻的有前途的模板，因为它们可以在DSA工艺中产生类似于传统PS-b-PMMA所用的精细图案，并且有可能超越它们。”

他补充道：“未来我们将研究使用PS-b-PGFM薄膜中的线条图案作为模板来优化图案转移过程。”