Directed self-assembly of block copolymers on chemically nanopatterned surfaces

Abstract

La tesi doctoral titulada “Auto-assemblatge de copolímers de bloc per modificació química de la superfície”, presenta com a objectiu principal el desenvolupament, implementació i caracterització d’un mètode de guiatge de copolímers de bloc basat en la modificació química de la superfície. El desenvolupament d’aquest mètode de nanofabricació contribueix a la futura generació de dispositius i circuits nanoelectrònics. Primer de tot, es presenten els aspectes generals sobre l’auto-assemblatge dirigit de copolímers de bloc, així com el seu rol dins del futur de la nanoelectrònica comparat amb altres tecnologies emergents. Després, per tal d’entendre i determinar les interaccions que tenen lloc durant el procés d’auto-assemblatge, es dóna una visió general sobre els processos químics i físics que tenen lloc en les pel·lícules primes de copolímers de bloc. La part principal de la tesi es focalitza en l’estudi, desenvolupament i implementació d’un mètode de guiatge químic per tal de dirigir l’auto-assemblatge de copolímers de bloc. A banda d’estudiar el procés experimental, també es caracteritzen els mecanismes que condueixen l’alineament i s’introdueixen a un model per simular el procés d’auto-assemblatge dirigit. A més, també es presenta la transferència del procés a una línia pilot industrial de fabricació de circuits integrats. La implementació del procés de guiatge químic s’ha provat no únicament amb materials comercials, sinó també amb nous sistemes polimèrics que permeten arribar a mides per sota dels 10 nm. Per aquests sistemes, es defineix un nou mètode de guiatge basat en la combinació de modificacions topogràfiques i químiques. Per tal d’entendre millor el procés, s’estudien tècniques específiques de metrologia. En particular, mitjançant tècniques d’alta energia de rajos X, es descriuen les principals diferències entre patrons químics de guiatge. D’altra banda, les propietats nanomecàniques dels diferents dominis del copolímer es determinen mitjançant el mode peak force tapping de la microscòpia de força atòmica. Finalment, es mostra un mètode per transferir els motius del copolímer al substrat. Aquest es basa en la infiltració d’un domini del copolímer. La infiltració canvia les propietats del material i el fa més resistiu al gravat amb oxigen. D’altra banda, i com a aplicació final, es presenta un procés de fabricació de ressonadors nanomecànics, basats en el procés d’auto-assemblatge de copolímers de bloc amb infiltració.

The thesis entitled “Directed self-assembly of block copolymers on chemically nano-patterned surfaces”, aboard the challenge of the development, implementation and characterization of a chemical epitaxy process to direct self-assemble block copolymers. The development of this nanofabrication method contributes to the next generation of nanoelectronic devices and circuits. Firstly, the main aspects of directed self-assembly of block copolymers and its role and status in the future of nanoelectronics is presented, and compared with other powerful technologies. Then, a general overview about the physics and chemistry involved in block copolymer thin films is presented, in order to understand and determine the interactions taking place during the DSA process. The main part of the thesis is focused on the study, development and implementation of a chemical epitaxy approach to guide the self-assembly of block copolymers. Apart from the process development, the mechanisms which drive the block copolymer alignment are characterized and simulated into a DSA model. Moreover, the process transfer to a more industrial pilot line is presented. The implementation of the chemical epitaxy process is addressed not only with commercial block copolymers, but also with new polymer systems which allow getting sub- 10 nm resolution. For these systems, a new guiding method is presented based on the combination of a chemical and graphoepitaxy approach. To better understand the DSA process, dedicated metrology methods are also studied. In particular, by using high-energy X-ray techniques it is possible to describe the main characteristics of the chemical guiding patterns. On the other hand, the nanomechanical properties of block copolymer domains are studied by using the peak force tapping mode in atomic force microscopy. A reliable method to pattern transfer the block copolymer features into the substrate is showed. It is based on infiltrating one block copolymer domain and enhancing thus, its resistivity to plasma etching. Finally, as a final application, a novel fabrication process of a nanowire mechanical resonator by means of DSA and infiltration is presented.