過去幾十年，芯片沿著摩爾定律不斷微縮，芯片的尺寸越來越小，性能越來越高。正因如此，以前如龐然大物的電腦才能變成我們掌上的輕薄本，還有手機、電視、智能手表等等，這些給我們的生活帶來了無限的便利。但現(xiàn)在，我們遇到了阻礙，晶體管小型化速度正在放緩，摩爾定律逼近極限。芯片制造商無法通過傳統(tǒng)的方法用更經(jīng)濟的成本來制造更微小的電路。
于是各種后摩爾時代的技術(shù)開始被探索，MOSFET晶體管從二維進入3D FinFET，進入GAA；3D封裝、SiP封裝等先進封裝技術(shù)也成為企業(yè)加速布局的技術(shù)，Chiplet被派上用場，國際大廠紛紛加入這個行列；諸如碳納米管等新型半導(dǎo)體材料也在加速攻堅；存算一體新器件開始逐步替代傳統(tǒng)的MOS器件；甚至要超越晶體管進入量子計算；等等。整個半導(dǎo)體業(yè)界無不為芯片的下一步發(fā)展找尋新思路。現(xiàn)在有一種全新的、更劃算的技術(shù)或許能為芯片制造的微縮打開另一扇大門，那就是定向自組裝技術(shù)（DSA），它可以算是光刻技術(shù)的一種互補技術(shù)。
在2021年SPIE先進光刻大會上，全球領(lǐng)先的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究和創(chuàng)新中心imec首次展示了定向自組裝（DSA）到間距小至18nm的模式線/空間的能力，一種優(yōu)化的干蝕刻化學(xué)方法成功地將圖案轉(zhuǎn)移到底層的厚SiN層中，這將使進一步的缺陷檢測成為可能。這些結(jié)果證實了定向自組裝技術(shù)（DSA）有潛力補充用于亞 2nm技術(shù)節(jié)點工業(yè)制造的傳統(tǒng)自上而下圖案化。
了解定向自組裝（DSA）
在講定向自組裝技術(shù)（DSA）之前，首先讓我們重溫下當(dāng)前的芯片制造方法。
現(xiàn)在芯片通常通過光刻法制造。簡言之，電路的每一個微小特征都被投射在硅片上，在此過程中，會在硅片上涂覆被稱為光致抗蝕劑的光敏材料。之后，硅晶片將被置于不同圖案之下，這些圖案由光線穿透被稱為掩模的濾光片形成。光線每照射到一處，光刻膠便會固化，其余部分則會被沖洗掉。在下一步驟中，會對晶圓進行化學(xué)蝕刻，由此在表面的裸露部分形成功能結(jié)構(gòu)。光刻技術(shù)的進步一直是推動后續(xù)半導(dǎo)體節(jié)點前進的關(guān)鍵。隨著芯片進入10nm以下，極紫外（EUV）技術(shù)必不可少，光刻變得過于復(fù)雜且成本高昂，一臺EUV光刻機的成本超過了1億美元。相對的，芯片的成本也隨之水漲船高。
除了成本之外，傳統(tǒng)的自上而下的光刻模式正日益受到感光材料對光反應(yīng)的固有問題的挑戰(zhàn)，如隨機打印失敗和線邊/線寬粗糙度（LER/LWR）。而定向自組裝（DSA）技術(shù)被認(rèn)為是一種革新的、更具成本效益的制造方法，它是采用自下而上的模式。作為補充和進一步擴展基于光刻的模式的潛在途徑。
定向自組裝（DSA）使用自組裝分子來打造計算機芯片的納米級組件，與掩模定義圖案的大多數(shù)光刻技術(shù)不同，它利用嵌段共聚物（BCP）形態(tài)來創(chuàng)建線條、空間和孔圖案，有助于更準(zhǔn)確地控制特征形狀。
自組裝是一種受自然啟發(fā)的方法，它在大自然界中從脂質(zhì)膜到細(xì)胞結(jié)構(gòu)中隨處可見。所謂自組裝，指的就是各個組件自發(fā)組成規(guī)律的結(jié)構(gòu)，這是組件之間特定局部交互作用的結(jié)果，而且他們組成的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)固。業(yè)界專家認(rèn)為，如果這種方法可以用于大自然，那么同理也可能用于芯片產(chǎn)業(yè)。
但其實DSA也不是一項新技術(shù)，早在2000年行業(yè)就開始了初步開發(fā)，2007年，DSA被添加到ITRS路線圖中，早期的支持者們認(rèn)為DSA將進入14nm和7nm邏輯節(jié)點之間進行的商業(yè)生產(chǎn)，但是到目前為止，還沒有實現(xiàn)。而現(xiàn)在，隨著芯片工藝來到7nm，5nm，3nm，以及DSA 材料和加工的最新發(fā)展，DSA技術(shù)再度被看好。
DSA能夠提供比半導(dǎo)體行業(yè)目前所要求的更高的分辨率，而且特征尺寸現(xiàn)在正接近DSA特別有效的水平。如果這些趨勢持續(xù)下去，這項技術(shù)有望在本世紀(jì)末被廣泛采用。
將定向自組裝用于半導(dǎo)體
“如果觀察集成電路結(jié)構(gòu)或晶體管陣列，許多功能結(jié)構(gòu)都會重復(fù)數(shù)百萬次。這是一個高度周期性的結(jié)構(gòu)。因此，我們希望在替代制造技術(shù)中利用這種周期性，并通過自組裝材料自發(fā)地形成晶體管所需的周期性結(jié)構(gòu)。我們用這些材料來完成最后的精細(xì)圖案的制作工作，而不是試圖在電路投射技術(shù)上尋找突破。”Branchburg半導(dǎo)體材料研發(fā)部主管Karl Skjonnemand說。
用自組裝材料來替代晶體管的周期性排列
（圖源：Karl Skjonnemand TED演講）
“自組裝材料的關(guān)鍵在于嵌段共聚物（BCP）。這些材料由兩條長度只有幾十納米的聚合物鏈組成，它們具有特殊的熱力學(xué)特性，這兩條聚合物鏈彼此厭惡、相互排斥，就像水油一樣不相容，但如果我們強制使他們結(jié)合在一起，他們便可形成具有高度規(guī)律性的納米結(jié)構(gòu)。”Skjonnemand解釋說，“一塊巨型的材料可能共有數(shù)十億個這樣的聚合物鏈。其中，相似的聚合物會試圖粘合在一起，同時，相反的部件則試圖彼此分離。因此，聚合物鏈會四處移動，直到形成一個固定形狀。
而且天然的自組裝形狀具有納米級、規(guī)則性、周期性，且長距離的特點，這正是晶體管陣列所需要的。所以我們就可以利用分子工程，來設(shè)計不同形狀、尺寸和周期的晶體管。也就是說，通過簡單調(diào)整聚合物鏈中嵌段的長度和組成，就有可能產(chǎn)生許多不同的規(guī)則圖案和形狀，這樣就可以根據(jù)設(shè)計調(diào)整為確切的樣式、尺寸和周期。
利用自組裝材料形成不同形狀
（圖源：Karl Skjonnemand TED演講）
而實現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)的自組裝能力，僅僅是通向目標(biāo)制造過程中的一環(huán)。因為還需要排列這些結(jié)構(gòu)，使得晶體管們可以形成集成電路。不過其方法也相對簡單，只需要利用寬導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來固定自組裝結(jié)構(gòu)，將他們固定好錨位，使剩余的自組裝結(jié)構(gòu)可以平行排列，就可以達到與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)一致。
Skjonnemand舉例說，”如果我們希望制作一條40納米的細(xì)線，這對傳統(tǒng)投影技術(shù)來說是很難制造的，我們可以使用普通投影技術(shù)制造一條120納米的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)將把3個40納米長的線形排列在一起，這些材料將承擔(dān)最困難的精細(xì)構(gòu)圖任務(wù)。我們將整個方法稱為‘定向自組裝’。“
當(dāng)然定向自組裝不是一個獨立的過程，而是與傳統(tǒng)的制造過程集成在一起，以便以較低的成本批量生產(chǎn)微米和納米結(jié)構(gòu)。由于在定向自組裝中使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，因此另一個優(yōu)勢在于，制造商無需在新設(shè)備上進行大量投資。Branchburg公司與客戶攜手進行的試點項目顯示出，與傳統(tǒng)的多重構(gòu)圖相比，定向自組裝制造過程中的報錯大大減少。而且他們預(yù)計，定向自組裝可以將制造中涉及的工藝步驟數(shù)量減少40%以上。
距離融入日常制造還有多遠？
但定向自組裝技術(shù)要真正完全融入日常制造還面臨一些挑戰(zhàn)，2016 年 DSA 研討會調(diào)查將缺陷確定為最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在Skjonnemand看來，如要采用定向自組裝，整個系統(tǒng)需要完美對準(zhǔn)，因為結(jié)構(gòu)中的任何微小缺陷都可能導(dǎo)致晶體管失效。而且，由于電路中有數(shù)十億個晶體管，因此系統(tǒng)需要在分子級上達到幾乎完美的狀態(tài)。
缺陷率和成本是直接掛鉤的，因為最低的缺陷水平與最長的退火時間是相關(guān)的。雖然僅用五分鐘的退火就能使兩相分離，但產(chǎn)生的材料含有太多的缺陷，不適合商業(yè)使用。
”我們將采取非常規(guī)措施來實現(xiàn)這一目標(biāo)。“他繼續(xù)說，”通過在半導(dǎo)體工廠中對化學(xué)品進行最佳清潔，以及謹(jǐn)慎處理這些材料，我們甚至可以消除最微小的納米級缺陷。“
在2021年SPIE先進光刻大會上，全球領(lǐng)先的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究和創(chuàng)新中心imec首次展示了定向自組裝（DSA）到間距小至18nm的模式線/空間的能力，使用高chi嵌段共聚物（高χ BCP）為基礎(chǔ)的工藝在高批量生產(chǎn)（HVM）條件下。
但這項技術(shù)仍然在發(fā)展中，半導(dǎo)體行業(yè)雖然在光刻方面擁有豐富的經(jīng)驗，但要使用定向自組裝（DSA）技術(shù)需要轉(zhuǎn)變思維方式。嵌段共聚物（BCP）材料和工藝是具有革命性的，而不是進化性的，這不是行業(yè)所習(xí)慣的，可能會面臨阻力。而且定向自組裝（DSA）需要在真實設(shè)備上進行演示，然后才能在半導(dǎo)體市場上取得成功。所以，半導(dǎo)體行業(yè)材料供應(yīng)商和在嵌段共聚物（BCP）方面具有豐富經(jīng)驗的化學(xué)公司之間的合作是彌合這一差距的途徑之一。
在這方面，默克公司是化學(xué)行業(yè)的專家。據(jù)悉，默克在自組裝技術(shù)方面的進步，已經(jīng)能使客戶開始規(guī)劃大批量制造產(chǎn)能。默克正在開發(fā)極其純凈的大批量合成能力來滿足客戶對性能和質(zhì)量目標(biāo)的追求。
”這項革命性技術(shù)有望徹底改變半導(dǎo)體制造工藝，并將加快下一代構(gòu)圖應(yīng)用的引入。“默克半導(dǎo)體解決方案全球負(fù)責(zé)人Anand Nambiar表示。默克認(rèn)為，定向自組裝可以在未來幾年內(nèi)成為半導(dǎo)體行業(yè)中的先進制造工藝。
寫在最后
如果定向自組裝真的能走進半導(dǎo)體制造，那么業(yè)界將能夠以更經(jīng)濟高效的方式，生產(chǎn)出越來越小的晶體管，從而確保運算和數(shù)字革命能夠繼續(xù)以驚人的步速向前邁進。這同樣預(yù)示著分子制造新時代的曙光。
#humanprogress 近幾年，定向自組裝（DSA）引起了大量業(yè)界同仁的興趣，已經(jīng)發(fā)展成為一個由大學(xué)、計量學(xué)家、材料和設(shè)備供應(yīng)商組成的寶貴生態(tài)系統(tǒng)。與以前單一行業(yè)的努力不同，材料和化學(xué)公司之間的合作將更好的推動定向自組裝技術(shù)的真正落地實施。一場芯片制造的革命即將來臨，那么，默克又將如何聯(lián)合材料廠商利用定向自組裝技術(shù)打造前瞻性的微芯片呢？