熊诗圣|新一代光刻技术——嵌段共聚物光刻学术资讯

2018年7月29至31日，由上海科技大学与美国化学学会（American Chemical Society，简称ACS）共同主办的全球科技研讨会——“材料科学前沿”(ACS Publications Symposium: Innovation in Materials Science)在上科大报告厅成功举办。研讨会吸引了200余名来自世界各地的专家学者、科研人员和青年学子，他们围绕光子科学材料、先进纳米材料、能源材料、生物材料、环保材料等主题进行了深入的探讨。

上海千人计划特聘专家、复旦大学信息科学与工程学院研究员、博士生导师熊诗圣现场作了题为《用于半导体制造的嵌段共聚物光刻技术(Block copolymer lithography)》的演讲报告。

上海千人计划特聘专家、复旦大学信息科学与工程学院研究员、博士生导师 熊诗圣

在演讲中，熊诗圣教授首先回顾了光刻技术的发展历史和技术瓶颈。摩尔定律发展到今天，面临着量子物理极限和制造难度指数级上升两方面的重大挑战。在“More Moore”和“More than Moore”两条路线争执不下的同时，半导体工业界仍然需要继续推进纳米加工的前沿，以满足高性能计算和高密度存储等方面的需求。

嵌段共聚物光刻依赖分子级的自组装机制，与传统激光光刻技术的工作原理大相径庭。类似于水和油的相分离，嵌段高分子共聚物由于共价键的存在，在退火过程之后，形成周期性的纳米图案，其尺度可以一直延伸到3纳米左右。熊诗圣教授详细介绍了如何采用普通光刻形成的稀疏图案，引导嵌段共聚物的自组装，在达到热平衡状态之后，最终的缺陷率可以控制在10-8/cm2以下。通过与原子层沉积技术无缝耦合，高分子层的图案可直接被转移到硅衬底上。其中，10纳米节点的光栅图形，相应的边缘粗糙度可控制在2纳米左右，达到芯片级加工工艺的水平。

左图是石墨烯和锗交替的线条图形，用于嵌段共聚物定向自组装形成有序图形（见右图）。上面是原理图，下面是扫描电镜图形。图中线条宽度为200nm。

在技术应用方面，熊诗圣教授展示了从电子束光刻开始，结合嵌段共聚物光刻和纳米压印全流程的6英寸制造工艺，成功实现2Td/inch2的全数字式磁存储。每一片石英母版，理论上可用于制造千万片磁盘。考虑到高分子合成领域的最新进展，未来三年内存储密度有望提高3倍以上。此外，熊诗圣教授说道，嵌段共聚物光刻技术尤其适合于制造鳍状场效应晶体管和X射线光学器件等，应用前景十分广阔。