半導體工藝重大突破！低於10納米的圖案化新工藝

導讀

近些年來，半導體產業發展雖面臨一些瓶頸，但也不斷有新技術登場。然而，最近美國麻省理工學院和芝加哥大學探索出一種新工藝方案，它能製造出晶元內部更細的線，進行低於10納米的圖案化，且可利用現有設備，低成本地大規模生產製造。

掃描電子顯微鏡圖像顯示，由研究團隊的新方案製造出細線序列。第一，由傳統的電子束工藝製造的一組線（上方）。添加嵌段共聚物材料和面漆層製造出四倍數量的細線（中間）。面漆被蝕刻掉后，剩下暴露的新型細線圖案。（底部）

(圖片來源於：麻省理工學院)

現狀分析

半導體製造業誕生已有幾十年的歷史，晶元製造商們一直致力於「使得晶元內的線變得更細，元器件變得更小，讓單個晶元可容納的元器件個數變得更多，讓計算機晶元的性能和速度不斷提升」。

但是從目前的晶元製造來看，光刻工藝中使用的光波長較長，從而導致製造工藝複雜，成本高。如果要製造出更細的線，要麼就要使用更短波長的光線。

但是，想要產生波長更短的超紫外線光，其結果是「要麼所需要的光學器件十分昂貴，要麼需要在晶元表面，通過掃描電子束或者離子束，一條線一條線地構建圖像，過程十分緩慢」。所以，這些對於大規模製造來說，成本自然都會很高。

創新探索

目前，美國麻省理工學院和芝加哥大學探索出了一種方案，它可以打破這些限制，可以製造出更細的線。另外，對於使用標準設備進行大規模製造，他們的方案從成本的角度來說也是可行的。

這項研究發表於本周的《自然納米技術》雜誌上，論文相關作者有麻省理工學院的博士后 Do Han Kim，研究所 Priya Moni，教授 Karen Gleason，另外三個研究人員來自芝加哥大學和阿貢國家實驗室。

關鍵技術

這項新研究的關鍵技術在於，在表面形成聚合物薄膜。它工藝過程是首先將某學化學物質進行加熱，使之蒸發，然後讓它們凝結，在溫度更低的表面上聚合。這個過程很像炎熱的天氣中，一杯盛滿冰凍飲料玻璃杯，它外部水汽的凝結過程。

新的工藝對於目前現有的三種方案，進行了一種創新集成。

首先，使用已經成熟的光刻技術在晶元表面製造圖案，使用電子束在晶元上「寫入」圖案。

然後，通過旋塗溶劑的方法，形成一層「嵌段共聚物」的材料。該材料由兩種不同的聚合物材料混合而成，這兩種材料自然地分離自己，形成交替層或者其他可預見的圖案。這種嵌段共聚物由鏈狀分子組成，而每個鏈狀分子由兩種不同的聚合物材料端對端連接在一起構成。所以，Kim 教授解釋道：

「其中一半對於油友好，另外一半對於水友好。但是由於他們完全綁定，他們相互糾纏在一起。」兩種共聚物的尺寸取決於：周期交替的層的尺寸或者它們堆積時自己組成的圖案。

最終，對於位於其他層之上的頂端保護聚合物層，應用了引發化學氣相沉積法（iCVD）技術。這種頂部覆蓋是這一工藝的關鍵：它限制了嵌段共聚物自組裝，讓他們垂直分層而不是水平分層，就像一個蛋糕的分層。

位於下方的光刻圖案，引導了這些層的放置，但是共聚物的自然特性，使得它們的寬度變得比基礎線更窄，最終形成四條（或者更多，取決於化學屬性）線，每一條是原始線寬的四分之一。Moni 解釋道，這種光刻層和面漆層的結合「控制了方向和排列」，從而產生更細的線。

另外由於頂層聚合物能夠圖案化，所以系統可根據半導體內部連接的需要，構建任何複雜圖案。

創新價值

目前，大多數的晶元製造設備，都使用現有的光刻方案，然而化學氣相沉積（CVD）本身就是一種容易理解的附加步驟，所以添加起來相對容易。

然而，這種製造「更細的線」的方法，比其他方法更加直接。所以對於這種新方法，Gleason 認為：

「你不用替換任何機器，並且所有採用的材料都是眾所周知的材料。」

密歇根大學的教授 Joerg Lahann，雖然沒有參加這項研究，但是他評論說：

「能夠通過聚合物創造出低於10納米的圖案，是納米製造領域的一項重要進展。這個工藝的高品質和健壯性將開啟一個全新應用領域，從納米圖案到納米摩擦學。」

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2017/self-assembly-smaller-microchip-patterns-0327

【2】http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.34.html

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