[发明专利]利用嵌段分子自组装制备取向可调亚5nm纳米模板的方法

说明书

本发明公开了一种利用嵌段分子自组装制备取向可调亚5nm纳米模板的方法。将单分散低聚二甲基硅氧烷(ODMS)与卟啉液晶核相连接合成含ODMS的有机‑无机杂化嵌段分子，利用ODMS与卟啉之间的强化学不相容性和强相分离能力，本体组装得到周期尺寸5nm以内的结构。将嵌段分子通过旋涂的方法制备成薄膜，得到5nm以内的纳米模板。通过调节ODMS的链长可对自组装的结构和尺寸进行调控，并且可通过表面诱导等方法控制自组装结构的平行或垂直取向。本发明制备纳米模板不需要复杂的工艺和昂贵的精密仪器，组装结构的周期尺寸小于5nm，条纹状组装结构中对应的纳米图案的线宽在3nm以内，小于目前光刻技术的线宽极限5nm，有望应用于下一代集成电路中晶体管的制造。

技术领域

本发明涉及嵌段分子的自组装，尤其涉及有机-无机杂化嵌段分子的薄膜自组装，以及利用表面诱导等方法调控薄膜组装结构中的平行或垂直取向，主要应用于代替光刻法模板化技术制备亚5nm纳米模板，属于纳米化学领域。

背景技术

在过去的半个世纪里，随着信息技术的迅速进步，集成电路上晶体管的密度不断增加，芯片性能不断提升，这也被称为摩尔定律。在向未来人工智能世界进一步发展的过程中，摩尔定律需要进一步扩展，这也意味着需要制备更精细的纳米模板。制备纳米模板的方法有基于光刻技术的“自上而下”法和基于自组装的“自下而上”法。“自上而下”的光刻法已经成为半导体行业中普遍采用的模板制作方法，利用波长13.5nm的极紫外光(EUV)进行光刻虽然可以得到近5nm线宽的图案，但具体操作过程非常复杂且设备昂贵。基于自组装的“自下而上”技术正在变得越来越具有吸引力。

嵌段共聚物(BCPs)是指由两个或多个化学结构不同的聚合物通过化学键相连所形成的新的聚合物分子。由于不同链段之间的不相容性，BCPs可以发生微相分离，形成周期尺寸通常在10～100nm范围的纳米有序结构。BCPs可以通过薄膜组装在半导体材料如硅片上得到纳米图案。但是，基于BCPs的薄膜组装得到的纳米图案最小周期尺寸是由BCPs自组装所形成的周期尺寸决定的，而BCPs发生微相分离的前提是两种链段之间的相互作用参数χ和总聚合度N的乘积χN值超过10.5，通常这些BCPs具有较大的分子量，这使得通过典型的BCPs自组装所得到的结构的周期尺寸的极限为～10nm。同时BCPs具有多分散性，导致所形成组装结构的有序性较差。

在BCPs纳米模板的研究方面，含硅的无机构筑段聚二甲基硅氧烷(PDMS)被广泛应用。PDMS一般为黏稠的液体，有着很好的抗氧化性能，在氧等离子体刻蚀后能形成氧化硅硬模板。但是含PDMS的嵌段共聚物自组装形成5nm以内的组装结构难度较大，且PDMS作为聚合物其分散度难以精确控制，这大大限制了其在纳米图案化过程中的进一步应用。2016年，E.W.Meijer课题组通过循环化学合成的方法分别得到了单边、双边官能化的单分散低聚二甲基硅氧烷(ODMS)。含ODMS的嵌段分子，与普通的含PDMS的嵌段共聚物相比，组装结构的周期尺寸减小，有序性增加，这些结果对以后纳米模板的分子设计和材料研究起着重要的指导意义。

发明内容