隨著摩爾定律的不斷推進，“自上而下”的光刻技術所能達到的尺寸大小已接近極限，而聚合物和小分子的“自下而上”的自組裝技術由于能夠突破傳統光刻技術的限制，可在分子尺寸上制備納米器件，引起了人們的廣泛關注。DSA (Directed self-assembly) 技術是在193 nm光刻技術之上、通過對嵌段聚合物進行模板導向、定向自組裝形成光刻條紋，然后選擇性刻蝕得到最終的光刻圖形。

傳統的DSA材料主要是PS-b-PMMA 嵌段共聚物，此類嵌段共聚物的兩個嵌段之間的Flory–Huggins相互作用參數較小，即χ值比較低，因此自組裝得到的最小特征尺寸只能達到11 nm左右，限制了其在7-5 nm光刻技術中的應用。并且該材料需要在較高溫度下（＞ 160 C）經歷長時間退火（＞ 10 h）才能得到長程有序的低缺陷圖案。而現代半導體工藝要求熱烘烤在2分鐘以下，現有的DSA材料的熱退火時間一般10小時以上，無法滿足生產工藝要求，因此研發快速自組裝的高分辨率材料至關重要。

復旦大學高分子科學系，聚合物分子工程國家重點實驗室鄧海教授團隊經過長期研究探討，制備了一種新型的5 nm以下低溫快速導向自組裝材料PS-b-PPDFMA，其在擁有極高分辨率的同時，能夠快速自組裝形成圖案，為目前已知的最快自組裝的DSA材料，為下一代的光刻技術提供了新的可能性 (圖1)。

圖 1. Sub-5 nm嵌段聚合物的結構及其相應的SAXS,TEM表征。

PS-b-PPDFMA 嵌段聚合物可以在80℃經歷 1 min退火后快速形成自組裝結構。圖3 中為兩種不同分子量的嵌段聚合物材料，在不同時間和溫度下自組裝所得到的SAXS結果。經過分析比較，該材料在80℃, 1 min 退火后即可得到有序的組裝結構，且其特征尺寸與經歷傳統的長時間退火（如160℃, 24 h）一致(圖2)。

圖 2. 嵌段聚合物在不同時間和溫度退火后自組裝的小角X射線散射圖。

此外，為進一步證明該材料在模板中的快速自組裝性能，研究人員在Si模板中對聚合物材料進行旋涂，分別經過80℃, 1 min和80℃, 5 min熱退火后，得到了長程有序的組裝線條，且特征尺寸與SAXS結果一致(圖3)。

圖 3. 嵌段聚合物 PS-b-PPDFMA 分別經歷（a）80 ℃, 1 min（a）80℃, 5 min退火在模板中進行導向自組裝，得到長程有序的線條圖案。

在中國科技部，上海市科學技術委員會及復旦大學的大力支持下，復旦大學高分子科學系聚合物分子工程國家重點實驗室鄧海教授課題組在5 nm以下低溫快速導向自組裝材料研究方面取得突破進展，第一作者為博士生李雪苗，相關成果發表在(Journal of Materials Chemistry C, 2019, DOI: 10.1039/C8TC06480F,DOI: 10.1039/c6ta01082b)。在此基礎上，該課題組將進一步探索5 nm以下的高分辨率嵌段聚合物組裝機理以及其在光刻領域和多功能器件中的應用。

來源：高分子科學前沿