Een recent ontwikkeld blokcopolymeer zou kunnen helpen de grenzen van integratie en miniaturisatie in de halfgeleiderproductie te verleggen, zo melden wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en Tokyo Ohka Kogyo (TOK). De voorgestelde verbinding, die chemisch is afgestemd op betrouwbare gerichte zelfassemblage, kan zichzelf rangschikken in loodrechte lamellaire structuren waarvan de halve pitchbreedte minder dan 10 nanometer is, wat conventionele en veelgebruikte blokcopolymeren overtreft.
Miniaturisatie is een van de fundamentele kwaliteiten van moderne elektronica en is grotendeels verantwoordelijk voor de ongelooflijke prestatieverbeteringen die we de afgelopen decennia hebben gezien. Om dit momentum gaande te houden, is het noodzakelijk om circuitpatronen te bereiken die fijner zijn dan de bestaande patronen op halfgeleiderchips, die een cruciaal onderdeel vormen van alle elektronische apparaten.
Sommige deskundigen schatten dat de kleinste afstand tussen onderdelen in halfgeleiderapparaten, ook wel bekend als ‘half-pitch’, in 2037 slechts 8 nm zal moeten bedragen om de volgende generatie elektronica te kunnen ondersteunen. Dit onderstreept de noodzaak van vooruitgang in lithografische processen (methode voor het creëren van zeer complexe circuitpatronen op halfgeleideronderdelen).
Zoals je zou verwachten, is het creëren van zulke fijn gedetailleerde structuren op welk materiaal dan ook een enorme onderneming. Een veelbelovende manier om deze prestatie te bereiken, is gerichte zelfassemblage (DSA) met blokcopolymeren (BCP’s).
Simpel gezegd zijn BCP’s lange ketenachtige moleculen die zijn gemaakt van twee of meer afzonderlijke secties (of blokken) van polymeren. Het proces van DSA omvat het exploiteren van de interacties tussen verschillende blokken in BCP’s, zodat ze zichzelf spontaan en consistent rangschikken in geordende structuren en patronen.
Hoewel deze strategie zeker effectief is, blijft het produceren van kenmerken kleiner dan 10 nanometer (sub-10 nm) met behulp van DSA een uitdaging.
In een studie gepubliceerd op 6 juli 2024 in Natuurcommunicatieonderzoekers van Tokyo Tech en TOK zijn erin geslaagd de grenzen van de mogelijkheden op dit gebied te verleggen.
Onder leiding van professor Teruaki Hayakawa ontwikkelde het onderzoeksteam een nieuw BCP dat zorgvuldig werd aangepast om ongelooflijk kleine lijnpatronen op een substraat te creëren in de vorm van lamellaire domeinen (een structuur die is samengesteld uit fijne en afwisselende lagen). Deze kleine patronen zouden de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe geavanceerde halfgeleiderapparaten.
De nieuw ontwikkelde BCP is gemaakt van polystyreen-blok-poly(methylmethacrylaat) (of PS-b-PMMA), een representatieve en veel bestudeerde BCP voor DSA. Eerst introduceerden de onderzoekers een geschikte hoeveelheid poly(glycidylmethacrylaat) (PGMA) in PS-b-PMMA, waardoor PS-b-(PGMA-r-PMMA) werd verkregen.
Vervolgens hebben ze het PGMA-segment gemodificeerd met verschillende thiolen, met als doel de afstotende interacties tussen de verschillende blokken in het resulterende polymeer, genaamd PS-b-PG, te verfijnen.FM. De PS- en PMMA-segmenten controleerden ook de affiniteit van de verschillende delen van het molecuul voor lucht, wat een belangrijke rol speelt in het zelfuitlijningsproces tijdens DSA.
De op maat gemaakte BCP assembleerde zichzelf betrouwbaar tot uitzonderlijk kleine nanometrische lamellaire structuren wanneer deze werd aangebracht als een dunne film, zoals bevestigd door atomaire krachtmicroscopie. Bovendien vertoonde deze nieuwe verbinding indrukwekkende prestaties op een substraat met parallelle polystyreen chemische geleiders.
“Dunne-film uitgelijnde lamellaire domeinen met een verticale oriëntatie kunnen betrouwbaar en reproduceerbaar worden verkregen via gerichte zelfassemblage, wat parallelle lijnpatronen oplevert die overeenkomen met een halve-pitchgrootte van 7,6 nm”, zegt Hayakawa. Het is vermeldenswaard dat dit een van de kleinste halve-pitchgroottes is die wereldwijd zijn gerapporteerd voor dunne-film lamellaire structuren zonder een topcoating.
Al met al hebben deze interessante bevindingen het potentieel om geavanceerde technologieën in de halfgeleiderproductie verder te ontwikkelen.
“PS-b-PGF“MBCP’s zijn veelbelovende sjablonen voor gebruik in lithografie, omdat ze fijne patronen kunnen produceren in DSA-processen die vergelijkbaar zijn met de patronen die worden gebruikt voor conventionele PS-b-PMMA. Bovendien hebben ze het potentieel om deze processen te overtreffen”, concludeert Hayakawa.
“Studies gericht op het optimaliseren van de patroonoverdrachtsprocessen met behulp van lijnpatronen in PS-b-PGF“In de toekomst zullen we onderzoek doen naar dunne films als sjablonen”, voegt hij toe.
Meer informatie:
Shinsuke Maekawa et al, Chemisch op maat gemaakte blokcopolymeren voor uiterst betrouwbare patronen van minder dan 10 nm door gerichte zelfassemblage, Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49839-0
Informatie over het tijdschrift:
Natuurcommunicatie
Aangeboden door Tokyo Institute of Technology