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  近日，復旦大學信息科學與工程學院熊詩圣教授研究團隊在溶劑蒸汽退火的對稱性三嵌段共聚物導向自組裝領域取得新進展。相關研究成果以《對稱性三嵌段共聚物導向自組裝在溶劑蒸汽退火過程中的溶劑分布效應》（The Solvent Distribution Effect on the Self-Assembly of Symmetric Triblock Copolymers during Solvent Vapor Annealing）為題在線發表于Macromolecules。

  嵌段共聚物導向自組裝光刻技術（Directed Self-Assembly of Block Copolymer Lithography, DSA），是利用物理、化學性質不同的多種單體聚合成嵌段共聚物，在退火條件下微相分離形成納米尺度的圖形，通過一定的方法將圖形誘導為所需規則化的納米級陣列，從而形成刻蝕模板進行納米結構的圖形轉移。此種技術充分利用了嵌段共聚物在薄膜中進行自組裝的優點，將“自下而上”的嵌段共聚物薄膜自組裝技術和“自上而下”的光學光刻或電子束光刻等制備導向圖形的技術結合起來，因為無需對應最終高分辨率圖案的光源和掩膜版，具有低成本、高分辨率、高產率的本質優勢，成為半導體工藝技術中的研發熱點。因此，導向自組裝技術是一種將光學光刻技術與嵌段共聚物在薄膜中的自組裝特點結合起來應用于制備超高分辨率圖形的技術，再加上其完全能與目前支配半導體產業的傳統光刻工藝高效兼容，被認為是極具潛力的下一代光刻技術。

  由于導向自組裝薄膜存在較高缺陷率的特點，成為限制其應用的最大技術挑戰。薄膜缺陷水平與退火過程密切相關，盡管傳統的熱退火在很大程度上提高了薄膜質量，但對研究嵌段共聚物能垂直基底排列的化學機理非常有限。基于此，研究團隊提出了新型的室溫溶劑蒸汽退火法，一種對促進具有不同表面能的嵌段高分子進行自組裝的非常行之有效的方法，因為其是在室溫下進行，不僅能有效緩解高分子材料的性質退化，還能在低于高分子熱分解溫度下促進材料進行自組裝，更為重要的是溶劑蒸汽退火可以降低不同嵌段共聚物區域表面能差別，在較大膜厚范圍內促使整個薄膜的高分子相垂直于基底取向，進而簡化圖案轉移工藝過程。

圖1 嵌段共聚物在不同濃度溶劑中的溶解情況模擬結果，(a) 所得薄膜的特征尺寸與溶解率的關系；(b)嵌段共聚物中的溶劑濃度分布情況。

  研究團隊在先期研究（Xiong et. al., ACS Nano 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b03667; Xiong et. al., Nanotechnology 2016, DOI:10.1088/0957-4484/27/41/415601）的基礎上，通過一系列實驗并結合蒙特卡洛模擬，研究了中性溶劑分布對嵌段共聚物導向自組裝的質量以及動力學過程的影響，并選用良溶劑和劣溶劑作為溶劑蒸汽退火過程中對三嵌段共聚物VSV的影響對比，結果發現劣溶劑更能屏蔽共聚物嵌段之間的相互作用，而良溶劑由于較少可能屏蔽不同嵌段的相互聯系，可以促使具有較低分子質量的三嵌段共聚物VSV有效自組裝。另外，在退火實驗中發現良溶劑在溶劑蒸汽退火過程中更能導致較慢的自組裝動力過程發生，圖案的特征尺寸和線邊緣粗糙度皆與劣溶劑退火過程有顯著差異。此項研究通過溶劑蒸汽退火過程中自組裝溶劑分布的研究，降低了成膜缺陷，對低分子量嵌段共聚物得到較為完美的取向控制，并成功制備了10納米以下特征尺寸的器件圖案。

圖2上圖是EUV光刻膠模板線寬尺寸的SEM圖，下圖為經過三嵌段共聚物導向自組裝后的特征尺寸圖案。

  此項工作是與芝加哥大學PAUL NEALEY組以及韓國研究組合作。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01275