本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者：杜芹

過去幾十年，芯片沿着摩爾定律不斷微縮，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、智能手錶等等，這些給我們的生活帶來了無限的便利。但現在，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。芯片製造商無法通過傳統的方法用更經濟的成本來製造更微小的電路。

於是各種後摩爾時代的技術開始被探索，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也成爲企業加速佈局的技術，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體材料也在加速攻堅；存算一體新器件開始逐步替代傳統的MOS器件；甚至要超越晶體管進入量子計算；等等。整個半導體業界無不爲芯片的下一步發展找尋新思路。現在有一種全新的、更劃算的技術或許能爲芯片製造的微縮打開另一扇大門，那就是定向自組裝技術（DSA），它可以算是光刻技術的一種互補技術。

在2021年SPIE先進光刻大會上，全球領先的納米電子和數字技術研究和創新中心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，一種優化的幹蝕刻化學方法成功地將圖案轉移到底層的厚SiN層中，這將使進一步的缺陷檢測成爲可能。這些結果證實了定向自組裝技術（DSA）有潛力補充用於亞 2nm技術節點工業製造的傳統自上而下圖案化。

瞭解定向自組裝（DSA）

在講定向自組裝技術（DSA）之前，首先讓我們重溫下當前的芯片製造方法。

現在芯片通常通過光刻法制造。簡言之，電路的每一個微小特徵都被投射在硅片上，在此過程中，會在硅片上塗覆被稱爲光致抗蝕劑的光敏材料。之後，硅晶片將被置於不同圖案之下，這些圖案由光線穿透被稱爲掩模的濾光片形成。光線每照射到一處，光刻膠便會固化，其餘部分則會被沖洗掉。在下一步驟中，會對晶圓進行化學蝕刻，由此在表面的裸露部分形成功能結構。光刻技術的進步一直是推動後續半導體節點前進的關鍵。隨着芯片進入10nm以下，極紫外（EUV）技術必不可少，光刻變得過於複雜且成本高昂，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，傳統的自上而下的光刻模式正日益受到感光材料對光反應的固有問題的挑戰，如隨機打印失敗和線邊/線寬粗糙度(LER/LWR)。而定向自組裝（DSA）技術被認爲是一種革新的、更具成本效益的製造方法，它是採用自下而上的模式。作爲補充和進一步擴展基於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光刻技術不同，它利用嵌段共聚物（BCP）形態來創建線條、空間和孔圖案，有助於更準確地控制特徵形狀。

自組裝是一種受自然啓發的方法，它在大自然界中從脂質膜到細胞結構中隨處可見。所謂自組裝，指的就是各個組件自發組成規律的結構，這是組件之間特定局部交互作用的結果，而且他們組成的結構非常穩固。業界專家認爲，如果這種方法可以用於大自然，那麼同理也可能用於芯片產業。

但其實DSA也不是一項新技術，早在2000年行業就開始了初步開發，2007年，DSA被添加到ITRS路線圖中，早期的支持者們認爲DSA將進入14nm和7nm邏輯節點之間進行的商業生產，但是到目前爲止，還沒有實現。而現在，隨着芯片工藝來到7nm，5nm，3nm，以及DSA 材料和加工的最新發展，DSA技術再度被看好。

DSA能夠提供比半導體行業目前所要求的更高的分辨率，而且特徵尺寸現在正接近DSA特別有效的水平。如果這些趨勢持續下去，這項技術有望在本世紀末被廣泛採用。

將定向自組裝用於半導體

“如果觀察集成電路結構或晶體管陣列，許多功能結構都會重複數百萬次。這是一個高度週期性的結構。因此，我們希望在替代製造技術中利用這種週期性，並通過自組裝材料自發地形成晶體管所需的週期性結構。我們用這些材料來完成最後的精細圖案的製作工作，而不是試圖在電路投射技術上尋找突破。”Branchburg半導體材料研發部主管Karl Skjonnemand說。

用自組裝材料來替代晶體管的週期性排列

“自組裝材料的關鍵在於嵌段共聚物（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合在一起，他們便可形成具有高度規律性的納米結構。”Skjonnemand解釋說，“一塊巨型的材料可能共有數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、規則性、週期性，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，來設計不同形狀、尺寸和週期的晶體管。也就是說，通過簡單調整聚合物鏈中嵌段的長度和組成，就有可能產生許多不同的規則圖案和形狀，這樣就可以根據設計調整爲確切的樣式、尺寸和週期。

利用自組裝材料形成不同形狀

而實現這些結構的自組裝能力，僅僅是通向目標製造過程中的一環。因爲還需要排列這些結構，使得晶體管們可以形成集成電路。不過其方法也相對簡單，只需要利用寬導向結構來固定自組裝結構，將他們固定好錨位，使剩餘的自組裝結構可以平行排列，就可以達到與導向結構一致。

Skjonnemand舉例說，“如果我們希望製作一條40納米的細線，這對傳統投影技術來說是很難製造的，我們可以使用普通投影技術製造一條120納米的導向結構，這個結構將把3個40納米長的線形排列在一起，這些材料將承擔最困難的精細構圖任務。我們將整個方法稱爲‘定向自組裝’。”

當然定向自組裝不是一個獨立的過程，而是與傳統的製造過程集成在一起，以便以較低的成本批量生產微米和納米結構。由於在定向自組裝中使用傳統的光刻技術，因此另一個優勢在於，製造商無需在新設備上進行大量投資。Branchburg公司與客戶攜手進行的試點項目顯示出，與傳統的多重構圖相比，定向自組裝製造過程中的報錯大大減少。而且他們預計，定向自組裝可以將製造中涉及的工藝步驟數量減少40%以上。

距離融入日常製造還有多遠？

但定向自組裝技術要真正完全融入日常製造還面臨一些挑戰，2016 年 DSA 研討會調查將缺陷確定爲最大的技術挑戰。在Skjonnemand看來，如要採用定向自組裝，整個系統需要完美對準，因爲結構中的任何微小缺陷都可能導致晶體管失效。而且，由於電路中有數十億個晶體管，因此係統需要在分子級上達到幾乎完美的狀態。

缺陷率和成本是直接掛鉤的，因爲最低的缺陷水平與最長的退火時間是相關的。雖然僅用五分鐘的退火就能使兩相分離，但產生的材料含有太多的缺陷，不適合商業使用。

“我們將採取非常規措施來實現這一目標。”他繼續說,“通過在半導體工廠中對化學品進行最佳清潔，以及謹慎處理這些材料，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，全球領先的納米電子和數字技術研究和創新中心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)爲基礎的工藝在高批量生產(HVM)條件下。

但這項技術仍然在發展中，半導體行業雖然在光刻方面擁有豐富的經驗，但要使用定向自組裝（DSA）技術需要轉變思維方式。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，這不是行業所習慣的，可能會面臨阻力。而且定向自組裝（DSA）需要在真實設備上進行演示，然後才能在半導體市場上取得成功。所以，半導體行業材料供應商和在嵌段共聚物（BCP）方面具有豐富經驗的化學公司之間的合作是彌合這一差距的途徑之一。

在這方面，默克公司是化學行業的專家。據悉，默克在自組裝技術方面的進步，已經能使客戶開始規劃大批量製造產能。默克正在開發極其純淨的大批量合成能力來滿足客戶對性能和質量目標的追求。

“這項革命性技術有望徹底改變半導體制造工藝，並將加快下一代構圖應用的引入。”默克半導體解決方案全球負責人Anand Nambiar表示。默克認爲，定向自組裝可以在未來幾年內成爲半導體行業中的先進製造工藝。

寫在最後

如果定向自組裝真的能走進半導體制造，那麼業界將能夠以更經濟高效的方式，生產出越來越小的晶體管，從而確保運算和數字革命能夠繼續以驚人的步速向前邁進。這同樣預示着分子製造新時代的曙光。

#humanprogress 近幾年，定向自組裝（DSA）引起了大量業界同仁的興趣，已經發展成爲一個由大學、計量學家、材料和設備供應商組成的寶貴生態系統。與以前單一行業的努力不同，材料和化學公司之間的合作將更好的推動定向自組裝技術的真正落地實施。一場芯片製造的革命即將來臨，那麼，默克又將如何聯合材料廠商利用定向自組裝技術打造前瞻性的微芯片呢？