东京科技大学和东京央华工业公司（TOK）的科学家报告称，一种新开发的嵌段共聚物可能会显著增强半导体制造中的集成和微型化。这种创新化合物经过化学工程设计，能够进行精确的定向自组装，并能形成半径宽度小于10纳米的垂直层状结构，超越传统的嵌段共聚物。
微型化在现代电子设备中发挥着至关重要的作用，并且在过去几十年中，这一方面为显著的性能提升奠定了基础。为了继续这一趋势，必须在半导体芯片上创造更精细的电路图案，而半导体芯片是所有电子设备中的重要组成部分。专家预测，到2037年，半导体设备中特征之间的最小距离——称为“半径”——将需要缩小到大约8纳米，这突显了增强光刻技术（在半导体材料上制作复杂电路图案的过程）的重要性。
显然，在任何材料上生成如此精细的结构是一项重大挑战。应对这一挑战的一种有前景的方法是使用嵌段共聚物（BCPs）进行定向自组装（DSA）。简单来说，BCPs由两种或多种不同聚合物部分（称为区块）组成的长链状分子构成。DSA过程利用BCPs中各个区块之间的相互作用，使其能够自发且有序地排列成结构。尽管这种方法有效，但通过DSA创建小于10纳米（小于10 nm）的特征仍然困难。
2024年7月6日，《自然通讯》上发表的一项最新研究，来自东京工业大学（东京科技）和东京央华工业（TOK），拓展了这一领域的可实现范围。研究团队由早川照昭教授领导，开发了一种新BCP，经过精心设计，可在基材上创建极小的线条图案，呈层状领域（由精细分层结构组成）。这些微小图案可能为新型半导体技术打下基础。
新的BCP由聚苯乙烯-嵌段-聚（甲基丙烯酸甲酯）（PS-b-PMMA）制成，这是一种众所周知且研究广泛的、适用于DSA的BCP。最初，研究人员将PS-b-PMMA与适当比例的聚（环氧甲基丙烯酸酯）（PGMA）结合，形成PS-b-(PGMA-r-PMMA)。然后，他们进一步精细化 PGMA 段，使用各种硫醇增强不同聚合物区块之间的排斥相互作用，创造了PS-b-PGFM。PS和PMMA段也影响分子与空气的相互作用，这是其在DSA过程中自我对准的重要因素。
这种特别设计的BCP在作为薄膜应用时，一直自发形成极小的纳米层状结构，经过原子力显微镜验证。此外，这种新化合物在具有平行聚苯乙烯化学导向的基材上展现出强劲的性能。
“通过定向自组装，薄膜对齐的层状领域可靠且可重复地获得，实现半径大小为7.6纳米的平行线条图案，”早川表示。值得注意的是，这一测量是全球范围内报道的没有顶层的薄膜层状结构中最小的半径尺寸之一。
总体而言，这些显著的发展可能会显著推动半导体制造中的先进技术。“PS-b-PGFM BCP为光刻应用提供了有前景的模板，因为它们可以在DSA方法中创建类似于传统PS-b-PMMA的细图案，并有潜力超越它们，”早川总结道，同时也表达了未来的研究意图，旨在利用PS-b-PGFM薄膜中的线条图案作为模板以改进图案转移技术。
这些突破可能使我们更接近进入电子和人工智能系统的新阶段。
