利用大分子立构复合特性和手性传递效应构筑大面积无缺陷的嵌段共聚物薄膜研究

Directed-self assembly of block copolymer thin film is compatible with the currently dominated the lithography process of semiconductor industry, and utilize the low cost of organic polymer materials. However, the two most important technical indicators: line edge roughness and defects did not get effective control and elimination, becoming the bottleneck of the directed-self assembly of block copolymer thin film technique progress. Stereocomplex is a special polymer mixture driven by chiral induction and chiral structure matching. Due to its unique form of force and excellent thermal stability, stereocomplex shows a unique application prospect in the field of nanomaterials and molecular self-assembly. This application is proposed to design synthesis of the chiral polymer materials. Based on the developed poly(propylene carbonate)-block-polystyrene copolymer, the proposal will focus on the multidisciplinary crossover of organic-metal stereoselective and regioselective polymerization, polymeric material assembly, integrated circuit, with an aim to realizing the high precision synthesis of the active block material, exploring the use of macromolecular structure of composite and chiral transfer effect in the control of assembly defects and line edge roughness. The final goal of the proposal is preparation of key materials for integrated circuit graphics with large area and low roughness, as well as zero defect.

嵌段共聚物薄膜定向组装可以兼容目前支配半导体产业的光刻工艺，并使用成本低廉的有机聚合物材料而备受产业界青睐，但决定组装图案中两个最重要的技术指标：线边粗糙度和缺陷率仍未得到有效的控制和消除，成为阻碍嵌段共聚物薄膜组装技术前进的瓶颈。立构复合特性是大分子链在手性诱导和立构匹配作用驱动下形成的独特的作用力形式，可以形成具有优异热稳定性的立构复合体材料，有望用于控制定向组装过程的粗糙度和缺陷率。本项目面向国家集成电路发展的重大需求，以破解定向组装产业化的技术难题为突破口，在已开发出的聚碳酸丙撑酯-聚苯乙烯嵌段共聚物的基础上，通过金属配位催化的区域和立体选择性聚合，高分子物理，集成电路蚀刻等多学科的技术交叉和运用，实现高度立构活性嵌段材料的精确合成，探索利用大分子立构复合和手性传递效应在消除共聚物薄膜定向组装中的缺陷率与粗糙度的机制和规律，探索制备大面积、低粗糙度和无缺陷集成电路图形的材料和技术。

嵌段共聚物薄膜定向自组装（Directed Self-Assembly，又称导向光刻）是一种可以兼容目前支配半导体产业紫外光刻工艺并使用成本低廉的有机高分子材料，而备受产业界青睐的光刻新技术。该技术涉及到嵌段共聚物材料的高效合成纯化、热退火自组装工艺、表界面控制、半导体蚀刻等多学科交叉和多技术协同。目前，嵌段共聚物导向光刻面临着很多问题，比如材料的无金属化高纯制备技术，高嵌段效率聚合方法的拓展技术，以及制备的图案化中现存的线边粗糙度和缺陷率控制和消除问题等，成为阻碍嵌段共聚物薄膜定向组装技术前进的瓶颈。..本项目针对上述科学和技术问题，首次提出了利用高分子立构复合特性（Stereocomplex）用于控制定向组装过程的粗糙度和缺陷率的概念。在已开发出的聚碳酸丙撑酯-聚苯乙烯嵌段共聚物研究基础上，设计合成了ABA三嵌段二氧化碳基导向光刻材料，将光刻的精度提高到了6纳米；同时实现了芯片加工所用到的常用基本图形的精准蚀刻。通过改变导向基底首次在指定的区域实现了6纳米分辨率的大面积刻蚀，在特定的区域实现了大回路、T-交叉、双拐角、拐角、小回路等集成电路加工所需图形的刻蚀；解决了实际加工过程中的精准定位问题，为后续的实际应用打下了基础。..此外，本项目还首次探索了将二氧化碳基聚碳酸酯作为正负电子束光刻胶材料的新用途，详细分析了其化学结构、分子量、显影剂等因素对电子束光刻性能的影响，优化出了二氧化碳基聚碳酸酯光刻胶的曝光机理和最佳曝光条件。另外，本项目还合成出了可规模化制备、高耐热性、具有空前催化效率的无金属催化剂，这一高活性无金属催化体系的设计将有效推进可用于半导体领域小于10纳米的二氧化碳基导向光刻材料和高灵敏度光刻胶材料的研发。本项目的开展为后续制备电子级纯度的定向自组装嵌段共聚物手性材料奠定了基础。