颠覆传统芯片制造！是时候了？

过去几十年，芯片沿着摩尔定律不断微缩，芯片的尺寸越来越小，性能越来越高。正因如此，以前如庞然大物的电脑才能变成我们掌上的轻薄本，还有手机、电视、智能手表等等，这些给我们的生活带来了无限的便利。但现在，我们遇到了阻碍，晶体管小型化速度正在放缓，摩尔定律逼近极限。芯片制造商无法通过传统的方法用更经济的成本来制造更微小的电路。

于是各种后摩尔时代的技术开始被探索，MOSFET晶体管从二维进入3D FinFET，进入GAA；3D封装、SiP封装等先进封装技术也成为企业加速布局的技术，Chiplet被派上用场，国际大厂纷纷加入这个行列；诸如碳纳米管等新型半导体材料也在加速攻坚；存算一体新器件开始逐步替代传统的MOS器件；甚至要超越晶体管进入量子计算；等等。整个半导体业界无不为芯片的下一步发展找寻新思路。现在有一种全新的、更划算的技术或许能为芯片制造的微缩打开另一扇大门，那就是定向自组装技术（DSA），它可以算是光刻技术的一种互补技术。

在2021年SPIE先进光刻大会上，全球领先的纳米电子和数字技术研究和创新中心imec首次展示了定向自组装(DSA)到间距小至18nm的模式线/空间的能力，一种优化的干蚀刻化学方法成功地将图案转移到底层的厚SiN层中，这将使进一步的缺陷检测成为可能。这些结果证实了定向自组装技术（DSA）有潜力补充用于亚 2nm技术节点工业制造的传统自上而下图案化。

了解定向自组装（DSA）

在讲定向自组装技术（DSA）之前，首先让我们重温下当前的芯片制造方法。

现在芯片通常通过光刻法制造。简言之，电路的每一个微小特征都被投射在硅片上，在此过程中，会在硅片上涂覆被称为光致抗蚀剂的光敏材料。之后，硅晶片将被置于不同图案之下，这些图案由光线穿透被称为掩模的滤光片形成。光线每照射到一处，光刻胶便会固化，其余部分则会被冲洗掉。在下一步骤中，会对晶圆进行化学蚀刻，由此在表面的裸露部分形成功能结构。光刻技术的进步一直是推动后续半导体节点前进的关键。随着芯片进入10nm以下，极紫外（EUV）技术必不可少，光刻变得过于复杂且成本高昂，一台EUV光刻机的成本超过了1亿美元。相对的，芯片的成本也随之水涨船高。

除了成本之外，传统的自上而下的光刻模式正日益受到感光材料对光反应的固有问题的挑战，如随机打印失败和线边/线宽粗糙度(LER/LWR)。而定向自组装（DSA）技术被认为是一种革新的、更具成本效益的制造方法，它是采用自下而上的模式。作为补充和进一步扩展基于光刻的模式的潜在途径。

定向自组装（DSA）使用自组装分子来打造计算机芯片的纳米级组件，与掩模定义图案的大多数光刻技术不同，它利用嵌段共聚物（BCP）形态来创建线条、空间和孔图案，有助于更准确地控制特征形状。

自组装是一种受自然启发的方法，它在大自然界中从脂质膜到细胞结构中随处可见。所谓自组装，指的就是各个组件自发组成规律的结构，这是组件之间特定局部交互作用的结果，而且它们组成的结构非常稳固。业界专家认为，如果这种方法可以用于大自然，那么同理也可能用于芯片产业。

但其实DSA也不是一项新技术，早在2000年行业就开始了初步开发，2007年，DSA被添加到ITRS路线图中，早期的支持者们认为DSA将进入14nm和7nm逻辑节点之间进行的商业生产，但是到目前为止，还没有实现。而现在，随着芯片工艺来到7nm，5nm，3nm，以及DSA 材料和加工的最新发展，DSA技术再度被看好。

DSA能够提供比半导体行业目前所要求的更高的分辨率，而且特征尺寸现在正接近DSA特别有效的水平。如果这些趋势持续下去，这项技术有望在本世纪末被广泛采用。

将定向自组装用于半导体

“如果观察集成电路结构或晶体管阵列，许多功能结构都会重复数百万次。这是一个高度周期性的结构。因此，我们希望在替代制造技术中利用这种周期性，并通过自组装材料自发地形成晶体管所需的周期性结构。我们用这些材料来完成最后的精细图案的制作工作，而不是试图在电路投射技术上寻找突破。”Branchburg半导体材料研发部主管Karl Skjonnemand说。

用自组装材料来替代晶体管的周期性排列

（图源：Karl Skjonnemand TED演讲）

“自组装材料的关键在于嵌段共聚物（BCP）。这些材料由两条长度只有几十纳米的聚合物链组成，它们具有特殊的热力学特性，这两条聚合物链彼此厌恶、相互排斥，就像水油一样不相容，但如果我们强制使他们结合在一起，他们便可形成具有高度规律性的纳米结构。”Skjonnemand解释说，“一块巨型的材料可能共有数十亿个这样的聚合物链。其中，相似的聚合物会试图粘合在一起，同时，相反的部件则试图彼此分离。因此，聚合物链会四处移动，直到形成一个固定形状。

而且天然的自组装形状具有纳米级、规则性、周期性，且长距离的特点，这正是晶体管阵列所需要的。所以我们就可以利用分子工程，来设计不同形状、尺寸和周期的晶体管。也就是说，通过简单调整聚合物链中嵌段的长度和组成，就有可能产生许多不同的规则图案和形状，这样就可以根据设计调整为确切的样式、尺寸和周期。

利用自组装材料形成不同形状

（图源：Karl Skjonnemand TED演讲）

而实现这些结构的自组装能力，仅仅是通向目标制造过程中的一环。因为还需要排列这些结构，使得晶体管们可以形成集成电路。不过其方法也相对简单，只需要利用宽导向结构来固定自组装结构，将它们固定好锚位，使剩余的自组装结构可以平行排列，就可以达到与导向结构一致。

Skjonnemand举例说，“如果我们希望制作一条40纳米的细线，这对传统投影技术来说是很难制造的，我们可以使用普通投影技术制造一条120纳米的导向结构，这个结构将把3个40纳米长的线形排列在一起，这些材料将承担最困难的精细构图任务。我们将整个方法称为‘定向自组装’。”

当然定向自组装不是一个独立的过程，而是与传统的制造过程集成在一起，以便以较低的成本批量生产微米和纳米结构。由于在定向自组装中使用传统的光刻技术，因此另一个优势在于，制造商无需在新设备上进行大量投资。Branchburg公司与客户携手进行的试点项目显示出，与传统的多重构图相比，定向自组装制造过程中的报错大大减少。而且他们预计，定向自组装可以将制造中涉及的工艺步骤数量减少40%以上。

距离融入日常制造还有多远？

但定向自组装技术要真正完全融入日常制造还面临一些挑战，2016 年 DSA 研讨会调查将缺陷确定为最大的技术挑战。在Skjonnemand看来，如要采用定向自组装，整个系统需要完美对准，因为结构中的任何微小缺陷都可能导致晶体管失效。而且，由于电路中有数十亿个晶体管，因此系统需要在分子级上达到几乎完美的状态。

缺陷率和成本是直接挂钩的，因为最低的缺陷水平与最长的退货时间是相关的。虽然仅用五分钟的退火就能使两相分离，但产生的材料含有太多的缺陷，不适合商业使用。

“我们将采取非常规措施来实现这一目标。”他继续说,“通过在半导体工厂中对化学品进行最佳清洁，以及谨慎处理这些材料，我们甚至可以消除最微小的纳米级缺陷。”

在2021年SPIE先进光刻大会上，全球领先的纳米电子和数字技术研究和创新中心imec首次展示了定向自组装(DSA)到间距小至18nm的模式线/空间的能力，使用高chi嵌段共聚物(高χ BCP)为基础的工艺在高批量生产(HVM)条件下。

但这项技术仍然在发展中，半导体行业虽然在光刻方面拥有丰富的经验，但要使用定向自组装（DSA）技术需要转变思维方式。嵌段共聚物（BCP）材料和工艺是具有革命性的，而不是进化性的，这不是行业所习惯的，可能会面临阻力。而且定向自组装（DSA）需要在真实设备上进行演示，然后才能在半导体市场上取得成功。所以，半导体行业材料供应商和在嵌段共聚物（BCP）方面具有丰富经验的化学公司之间的合作是弥合这一差距的途径之一。

在这方面，默克公司是化学行业的专家。据悉，默克在自组装技术方面的进步，已经能使客户开始规划大批量制造产能。默克正在开发极其纯净的大批量合成能力来满足客户对性能和质量目标的追求。

“这项革命性技术有望彻底改变半导体制造工艺，并将加快下一代构图应用的引入。”默克半导体解决方案全球负责人Anand Nambiar表示。默克认为，定向自组装可以在未来几年内成为半导体行业中的先进制造工艺。

写在最后

如果定向自组装真的能走进半导体制造，那么业界将能够以更经济高效的方式，生产出越来越小的晶体管，从而确保运算和数字革命能够继续以惊人的步速向前迈进。这同样预示着分子制造新时代的曙光。

#humanprogress 近几年，定向自组装（DSA）引起了大量业界同仁的兴趣，已经发展成为一个由大学、计量学家、材料和设备供应商组成的宝贵生态系统。与以前单一行业的努力不同，材料和化学公司之间的合作将更好的推动定向自组装技术的真正落地实施。一场芯片制造的革命即将来临，那么，默克又将如何联合材料厂商利用定向自组装技术打造前瞻性的微芯片呢？

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