东京工业大学和东京欧卡工业公司的科学家们近期开发出一种新型嵌段共聚物，这一发明可能将推动半导体制造业的集成度和微型化能力达到新的极限。这种经过化学定制的复合材料能够自主组织成直径小于10纳米的垂直层状结构，其性能超越了目前广泛使用的传统嵌段共聚物。

微型化是现代电子产品的基本特征之一，它在很大程度上负责了过去几十年里性能的显著提升。为了维持这一发展势头，必须实现比现有半导体芯片上的电路图案更精细的图案，而这些芯片是所有电子设备的关键组成部分。

一些专家预计，到2037年，半导体设备中特征间的最小距离，即“半节距”，需要缩小到8纳米以支持下一代电子产品，这强调了在光刻过程中（在半导体部件上创建高度复杂电路图案的方法）取得进展的必要性。

正如人们所预期的那样，在任何材料上创建如此精细的结构都是一项巨大的挑战。一条有前景的途径是通过嵌段共聚物（BCPs）的定向自组装（DSA）来实现这一壮举。

简单来说，BCPs是由两种或多种不同部分（或块）的聚合物组成的长链状分子。DSA的过程利用BCPs中不同块之间的相互作用，使它们能够自发且一致地排列成有序的结构和图案。

虽然这种策略非常有效，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。

东京工业大学和东京欧卡工业公司的研究员们在一项于2024年7月6日发表在《自然通讯》上的研究中，成功地扩展了这一领域的可能性。

在田中辉昭教授的领导下，研究团队开发了一种全新的BCP，精心设计用于在衬底上创建以纳米层状域（由细小的交替层组成的结构）形式的极小线条图案。这些微小的图案可能为新型高级半导体设备铺平了道路。

新开发的BCP是从聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（即PS-b-PMMA），一种代表性且广泛研究的DSA用BCP出发，通过加入适量的聚甘油甲基丙烯酸甲酯（PGMA），得到了PS-b-(PGMA-r-PMMA)。

接下来，他们通过不同的硫醇对PGMA部分进行改性，旨在优化最终聚合物PS-b-PGFM中不同块之间的排斥相互作用，PS和PMMA部分还控制了分子不同部分对空气的亲和力，这在DSA过程中的自我排列中起着关键作用。

当作为薄膜应用时，经过定制的BCP可靠地自组装成异常小的纳米尺度层状结构，原子力显微镜的确认也证实了这一点。此外，这种新化合物在带有平行聚苯乙烯化学导向剂的衬底上表现出令人印象深刻的性能。

“通过定向自组装可靠且可重复地获得垂直方向的薄膜对齐层状域，产生对应于7.6纳米半节距大小的平行线条图案，”田中辉昭说。值得一提的是，这是全球报告中无顶涂层薄膜层状结构的最小半节距之一。

总而言之，这些激动人心的发现有潜力推进半导体制造领域的尖端技术。

“PS-b-PGFM BCPs作为光刻模板富有前景，因为它们能在类似于传统PS-b-PMMA使用的DSA过程中产生细小图案，有潜力超越它们，”田中辉昭总结道。

“未来将研究使用PS-b-PGFM薄膜线条图案作为模板的图案转移过程的优化，”他补充说。

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