[发明专利]一种嵌段共聚物、制备周期性纳米结构的引导组装方法和嵌段聚合物模板

说明书

本发明提供了一种嵌段共聚物及纳米结构的引导组装方法，首先在具有图案的基材上涂覆嵌段共聚物的材料；然后引导所述嵌段共聚物在基材上进行相分离，得到垂直于基材、贯穿整个薄膜厚度的纳米结构，形成纳米结构的图形。该嵌段共聚物中，其中一个嵌段由式(1)、式(2)或式(3)所示单体中的一种或多种开环聚合获得。本发明将包含聚ɑ‑羟基羧酸嵌段和/或聚碳酸酯嵌段的嵌段共聚物，其表面能相同或相近并且具有高χ值，就能得到垂直于基材的纳米结构。可以通过调节嵌段共聚物的分子量，直接引导组装得到更小尺寸的纳米结构，满足半导体行业制备半节距小于11nm芯片的需求，同时工艺简单，容易整合到现今半导体行业的生产流程中。

技术领域

本发明涉及纳米结构制备技术领域，涉及一种嵌段共聚物、制备纳米结构的方法和嵌段聚合物模板，尤其涉及一种嵌段共聚物、制备周期性纳米结构的引导组装方法和用于图形转刻的嵌段聚合物模板。

背景技术

随着社会的发展、科技的进步，计算机已经成为日常生活中的必备工具。计算机的性能和运算速度决定了其市场价值和市场竞争力，在过去的半个世纪，半导体行业一直致力于缩小晶体管的尺寸，其主要原因在于随着晶体管尺寸越来越小，计算速度越来越快，计算成本也会降低。从上个世纪70年代的10μm制程技术开始到2011年英特尔量产22nm处理器，半导体行业一直遵循着摩尔定律：“半导体芯片上集成的晶体管和电阻数每18～24个月增加一倍”。

众所周知，半导体行业采用光刻法来制造处理器，现今业界采用的光刻光源是193nm紫外光，必须采用液浸曝光技术两次或多次曝光才能制造更细微的纳米结构，32nm处理器的制造就是采用两次曝光技术来完成的。如今主导半导体行业的193nm光刻技术已经接近其极限分辨率，美国半导体研究联盟(SRC)颁布的2011年版国际半导体技术发展蓝图(ITRS)中指出，迄今为止仍未确定制备22nm或者更小的动态随机存储器(DRAM)或微处理器(MPU)单元半节距的技术方案。在ITRS中，SRC遴选出潜在的可用于制备16nm和11nm MPU/DRAM的备选技术，其中包括嵌段共聚物的引导组装，ITRS同时指出光刻法将不再作为11nmMPU/DRAM的备选方案。此外，2012年的ITRS修订版指出要想将嵌段共聚物的引导组装用于量产11nm MPU/DRAM，需要解决的长期挑战包括：无缺陷的引导组装过程与引导组装兼容的设计。因而，当前最急需解决的是遴选出适合引导组装制备11nm或者更小半节距的嵌段共聚物。

嵌段共聚物是由两种或两种以上不同均聚物通过共价键连接而形成的，由于链段之间的热力学不相容性，其通过微相分离可以自组装生成5～50nm的周期性纳米结构。两嵌段共聚物(A-b-B)是结构最简单的嵌段共聚物。通过改变两个嵌段的组分比例可以得到球状相(S)、柱状相(C)和层状相(L)等不同的相形态。用嵌段共聚物薄膜作为模板将高分子的相分离生成的图案转移蚀刻到基材上，开创了嵌段共聚物蚀刻法这一新的研究方向。首例报道是采用球状相二嵌段共聚物作为模板。随后，制图外延法和溶剂淬火法等方法也被广泛的用来制备长程有序排列的纳米结构。2003年美国威斯康辛大学的Paul Nealey教授课题组发明了用化学图案来引导两嵌段共聚物薄膜组装制备长程有序排列的垂直于基材的线性结构的方法。与光刻蚀法相比，引导组装制备的纳米结构除了有高度精确的相畴定位外，还具有以下的优点：1)引导组装所得的纳米结构具有较小的线边粗糙度和线宽粗糙度；2)嵌段共聚物具有自我修复功能，可以修正光刻蚀法所产生的一些缺陷；3)通过密度倍增法可以解决光刻蚀法极限分辨率的难题。

目前嵌段聚合物定向自组装技术所用到的嵌段共聚物是苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的嵌段共聚物(PS-b-PMMA)，主要是由于PS-b-PMMA在热退火条件下两相的表面能近似，可以形成垂直的相畴结构，这种垂直的相畴结构可以通过选择性的刻蚀掉其中一相，将图案转移至基材。尽管ITRS预测PS-b-PMMA是最有可能实现产业化的嵌段聚合物，但是由于PS-b-PMMA属于弱相分离聚合物(χ≈0.029，150℃)(弗洛里哈金斯参数Flory-Huggins)导致PS-b-PMMA只能制备≥12nm的结构，不能满足下一代半节距<11nm的技术要求。