芯片“自組裝”何時(shí)能走向商用?

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，“摩爾定律”可謂是無(wú)人不知、無(wú)人不曉?？梢哉f(shuō)在過(guò)去幾十年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在摩爾定律的推動(dòng)下高速發(fā)展。但是現(xiàn)在，隨著晶體管縮放尺寸逐漸逼近物理極限，半導(dǎo)體工藝制程的推進(jìn)也越來(lái)越困難，“摩爾定律”已死的聲音也開始不絕于耳。不過(guò)，即便如此，科學(xué)界也依然希望通過(guò)一些新的技術(shù)來(lái)繼續(xù)推動(dòng)摩爾定律的前進(jìn)。

“摩爾定律”已死？

摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）于半個(gè)世紀(jì)前提出來(lái)的。其內(nèi)容為，“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍?！?/p>

自摩爾定律提出之后的幾十年，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也確實(shí)按著摩爾定律在持續(xù)快速的前進(jìn)，但是自28nm之后，摩爾定律便開始呈放緩態(tài)勢(shì)，其所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也開始降低。

雖然去年上半年臺(tái)積電的7nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)，而且5nm也已經(jīng)在路上，接下來(lái)3nm甚至是1nm或許仍然還有路可以走，但是這毫無(wú)疑問將會(huì)更加的困難。

而更為令人悲觀的是，雖然隨著工藝的提升，晶體管密度還可以進(jìn)一步增加，但是能夠帶來(lái)的性能提升或功耗的降低卻越來(lái)越少。比如從28nm到16nm，面積縮小了40%，速度提高了30%-40%，但是如果選擇提升速度，那么功耗就沒法降低多少。而在28nm之前，每一代制程工藝的升級(jí)，功耗都能夠降一半多，面積降一半多，速度提升一倍多。但現(xiàn)在，這樣的好事情已經(jīng)一去不復(fù)返了。

除此之外，隨著工藝制程從10nm向7nm、5nm、3nm、1nm的繼續(xù)演進(jìn)，所需要付出的代價(jià)也更具高昂。摩爾定律所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益（即在價(jià)格不變的情況下，每?jī)赡晷阅芴嵘槐渡踔粮啵┮矊?huì)不復(fù)存在。

此前，國(guó)外Semiengingeering網(wǎng)站曾發(fā)布過(guò)一篇工藝和芯片開發(fā)費(fèi)用的文章。文中指出28nm節(jié)點(diǎn)的芯片開發(fā)成本為5130萬(wàn)美元；16nm節(jié)點(diǎn)則需要1億美元；7nm節(jié)點(diǎn)需要2.97億美元；5nm節(jié)點(diǎn)，開發(fā)芯片的費(fèi)用將達(dá)到5.42億美元；由于3nm還處于最初期的開發(fā)階段，所以其開發(fā)成本至今還難以確定，3nm的開發(fā)費(fèi)用有可能超過(guò)10億美元。

此外，先進(jìn)的晶圓廠建設(shè)同樣需要大量的現(xiàn)金支持，以采用最新的設(shè)備來(lái)提升工藝制程，這將進(jìn)一步拉高芯片的制造成本。比如7nm之后的5nm就必須要用到最新的EUV極紫外光刻技術(shù)，而目前全世界僅有ASML可以供應(yīng)EUV***，而且一臺(tái)EUV***的售價(jià)就高達(dá)1億多美元。

顯然，隨著制程工藝的不斷逼近物理極限，不僅在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上越來(lái)越困難，所需要的設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，而且芯片開發(fā)成本也急劇增長(zhǎng)，如果芯片廠商沒有足夠的實(shí)力，芯片出貨沒有足夠的出貨量，將很難承擔(dān)高昂的成本。

全新的“自組裝”技術(shù)

在“摩爾定律”的推進(jìn)越來(lái)越困難，甚至“摩爾定律”已死聲音越來(lái)越多的當(dāng)下，包括英特爾在內(nèi)的眾多半導(dǎo)體企業(yè)也紛紛寄希望于通過(guò)“內(nèi)核架構(gòu)創(chuàng)新”（比如采用非馮·諾伊曼系統(tǒng)架構(gòu)）、芯片工藝由原來(lái)的2D轉(zhuǎn)向2.5D/3D堆疊、自旋電子、神經(jīng)元計(jì)算、量子計(jì)算等方法來(lái)繼續(xù)推進(jìn)“摩爾定律”的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于以上的這些新技術(shù)可能大家或多或少都有了解和接觸過(guò)，而在去年在德國(guó)舉辦的TED演講當(dāng)中，來(lái)自美國(guó)的研究人員Karl Skjonnemand為延續(xù)“摩爾定律”提出了一種全新的思路，即利用“分子工程和模擬自然的方法”來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管的“自組裝”(self-directed assembly)，從而極大的降低半導(dǎo)體制造的成本。

▲根據(jù)資料顯示Karl Skjonnemand目前是美國(guó)的一家專注于未來(lái)的芯片制造開發(fā)所需先進(jìn)的納米材料公司的技術(shù)總監(jiān)，他擁有20年亞太、歐洲和美國(guó)項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)。

而在介紹“晶體管自組裝”技術(shù)之前，我們有必要先來(lái)了解下，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝流程。

那么相對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝，所謂的晶體管的“自組裝”技術(shù)又有何優(yōu)勢(shì)呢？

Karl Skjonnemand認(rèn)為，在傳統(tǒng)的芯片當(dāng)中，晶體管的微型結(jié)構(gòu)特征有非常多都是重復(fù)的，是一種高度周期性的結(jié)構(gòu)。因此，他想在替代技術(shù)中利用這種周期性，他想采用自組裝材料，自然的組建周期性結(jié)構(gòu)，來(lái)構(gòu)建晶體管，讓這些材料來(lái)完成精圖案的制作，而不是試圖在已經(jīng)越來(lái)越困難的圖案投射技術(shù)上突破。

自組裝原理在大自然中隨處可見，比如我們的脂質(zhì)膜到細(xì)胞結(jié)構(gòu)，再到DNA能夠復(fù)制，并且一代代的遺傳下去，就是一種自然組裝技術(shù)。因此，Karl Skjonnemand認(rèn)為，自組裝技術(shù)可以應(yīng)用到芯片制造當(dāng)中。

他介紹了一種名為“嵌段共聚物”(block copolymer)的自組裝材料（一種有機(jī)半導(dǎo)體）——由兩條長(zhǎng)度只有幾十納米的聚合物鏈條，但是這些聚合物鏈彼此排斥?？梢詫⑺鼈儚?qiáng)制組合在一起，在系統(tǒng)中創(chuàng)造一種“嵌入式窘組”。而一塊不大的材料，可包含幾十億這樣的聚合物鏈，相似的化合物粘結(jié)在一起，同時(shí)互斥的化合物則會(huì)相互分離。這些化合物四處移動(dòng)，直到變成一個(gè)特定的形狀。

Karl Skjonnemand表示，天然的自組裝形狀是納米級(jí)的，有規(guī)律和周期性，還很長(zhǎng)，這就是我們?cè)诰w管排列中所需要的，重要的是，它們能夠提供比傳統(tǒng)晶體管蝕刻更為精細(xì)的細(xì)節(jié)。

所以我們可以利用分子工程來(lái)設(shè)計(jì)不同的尺寸和不同的形狀，以及不同周期性的不同形狀，比如說(shuō)，我們選擇一種對(duì)稱分子，他的兩條聚合物鏈長(zhǎng)度相似，則自然的自組裝結(jié)構(gòu)就是長(zhǎng)的曲線形，像指紋一樣，指紋線的寬度和間距，不僅取決于聚合物鏈的長(zhǎng)度，還取決于系統(tǒng)內(nèi)部窘組的級(jí)別。

我們還可以創(chuàng)造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如果我們使用非對(duì)稱分子，其中一條聚合物鏈顯著短于另外一條。在這種情況下，短鏈就會(huì)在中間形成一個(gè)牢固的球，被包裹在更長(zhǎng)的相互排斥的聚合物鏈當(dāng)中，形成一個(gè)自然的圓柱體。這個(gè)圓柱體的尺寸，及圓柱體之間的距離和周期性，取決于我們選擇的聚合物鏈的長(zhǎng)度以及內(nèi)嵌窘組的水平。

換句話說(shuō)，利用分子工程，可以獲得自組裝的納米結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以是線形的，圓柱形的，同時(shí)也符合我們?cè)O(shè)計(jì)的周期性。我們利用化學(xué)工程來(lái)制造晶體管所需的納米級(jí)特征，但是具備了自組裝這些結(jié)構(gòu)的能力，只解決的一半的問題，因?yàn)檫€需要排列這些結(jié)構(gòu)，使得晶體管可以形成電路。

對(duì)于這個(gè)問題，Karl Skjonnemand表示，可以使用寬導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來(lái)固定自組裝結(jié)構(gòu)。將他們錨定到位，使得剩余的自組裝結(jié)構(gòu)可以平行排列，從而與我們的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)保持一致。比如我們想做一個(gè)精細(xì)的40nm長(zhǎng)的線形，對(duì)于傳統(tǒng)的投射技術(shù)是非常困難的。我們可以先制作一個(gè)120nm的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使用普通的投射技術(shù)，這個(gè)結(jié)構(gòu)將會(huì)把3個(gè)40nm長(zhǎng)的線形排列在一起。使得這些材料可以自動(dòng)的進(jìn)行最復(fù)雜的精細(xì)復(fù)寫。

不過(guò)，這其中依然有著其他的挑戰(zhàn)，比如，整個(gè)系統(tǒng)都需要完美的排列。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中任何微小的缺陷都會(huì)導(dǎo)致晶體管的失效。所以需要利用化學(xué)清洗的方法來(lái)消除納米級(jí)別的最小失誤。

“自組裝”何時(shí)能走向商用？

其實(shí)，在Karl Skjonnemand之前，已經(jīng)有很多的科研機(jī)構(gòu)嘗試將自組裝技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片制造，并且近幾年也取得了一些突破。

早在2012年，比利時(shí)的微電子研究中心（IMEC）就在自己的工廠里安裝了世界上的首個(gè)自組裝生產(chǎn)線。在那里，科學(xué)家改進(jìn)材料和設(shè)計(jì)，減少自組裝結(jié)構(gòu)的誤差。

此外，紐約州立大學(xué)也在阿爾巴尼（Albany）的納米尺度工程中心（Center for Nanoscale Engineering）里運(yùn)營(yíng)著一條自組裝的生產(chǎn)線。

在2014年的Semicon West半導(dǎo)體行業(yè)會(huì)議上，IMEC的流程技術(shù)研發(fā)副總裁安·斯特更（An Steegen）就曾表示，自組裝技術(shù)看起來(lái)可以作為極紫外光刻法的替代方法，延長(zhǎng)現(xiàn)有光刻法的壽命。IMEC現(xiàn)在可以用自組裝技術(shù)設(shè)計(jì)出和英特爾最新的芯片相似的結(jié)構(gòu)，尺度可小至14納米。斯特更當(dāng)時(shí)表示，自組裝技術(shù)有望替代EUV技術(shù)。

紐約州立大學(xué)納米尺度工程中心納米工程副教授克里斯托弗·波斯特（Christopher Borst）在Semicon Westl論壇上也曾表示，其生產(chǎn)線現(xiàn)在可以可靠地產(chǎn)生重復(fù)的線條和鰭狀結(jié)構(gòu)，可以精細(xì)到18nm?！拔覀冎圃炝艘恍┳屓擞∠笊羁痰慕Y(jié)構(gòu)，”波斯特說(shuō)?！斑@種方法在材料和制造能力上已經(jīng)沒問題了。”

2016年初，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與IBM的研究人員開發(fā)了一種溝槽(trenching)技術(shù)，能被用以通過(guò)定向自組裝來(lái)打造半導(dǎo)體芯片。顯然，這種溝槽技術(shù)與前面Karl Skjonnemand介紹的用于打造自組裝半導(dǎo)體芯片所需的“導(dǎo)向結(jié)構(gòu)”作用類似。

在2017年，來(lái)自麻省理工學(xué)院和芝加哥大學(xué)的一群研究人員就宣布聲稱已經(jīng)找到了一種方法，可以開發(fā)出更窄的線寬，并可望能應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)設(shè)備中，而這種方法就是利用了“自組裝”技術(shù)。

麻省理工學(xué)院的副教務(wù)長(zhǎng)兼化學(xué)工程教授Karen Gleason表示，現(xiàn)在，先進(jìn)的芯片工藝通常需要非常昂貴的極紫外光(EUV)光學(xué)技術(shù)，或是通過(guò)掃描芯片表面的電子束或離子束建立逐行掃描影像，這些方法都過(guò)于緩慢且昂貴。

麻省理工學(xué)院的研究人員提出的方案是，首先使用目前已被大量采用的光刻技術(shù)，用于在芯片表面上產(chǎn)生線路圖案。而后使用“嵌段共聚物”的材料層，會(huì)自然地分離到交替的層或是其他通過(guò)旋涂溶液形成的可預(yù)測(cè)圖案。嵌段共聚物是由兩種不同高分子聚合物形成的鏈狀分子。

“兩個(gè)嵌段的尺寸可確定在沉積時(shí)將自行組裝的周期層尺寸或其他圖案。而后一個(gè)保護(hù)性的聚合物層會(huì)被放置在嵌段聚合物上，通過(guò)化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）的方式完成這一過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是一大關(guān)鍵，它對(duì)嵌段聚合物的自組裝造成約束，迫使其形成垂直層而非水平層，底層的光刻圖案將引導(dǎo)這些層的定位，但共聚物會(huì)自然地導(dǎo)致其寬度要比基線的寬度更小。同時(shí)由于頂部聚合物層還能圖案化，因而該系統(tǒng)可用于建立更加復(fù)雜的圖案，如微芯片的互連?！?/p>

麻省理工研究人員表示，目前大多數(shù)芯片都使用現(xiàn)有的光刻技術(shù)，CVD本身很容易理解，因此實(shí)施新技術(shù)會(huì)更加簡(jiǎn)單。不需要改動(dòng)設(shè)備，使用的也都是熟悉的材料。

而在2018年，香港中文大學(xué)化學(xué)系繆謙教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了具有獨(dú)特自組裝結(jié)構(gòu)的有機(jī)半導(dǎo)體材料，設(shè)計(jì)合成了帶有不同功能基團(tuán)的六苯并苝衍生物，并在其晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一種罕見的分子堆積方式。這些六苯并苝衍生物具有扭曲的共軛骨架，在晶體中形成獨(dú)特的磚砌結(jié)構(gòu)，保持基本相同的二維π-π堆積模式而不受各種功能基團(tuán)的影響。同時(shí)，繆謙教授研究團(tuán)隊(duì)還在此基礎(chǔ)上結(jié)合有機(jī)薄膜晶體管與微流管道成功制備了高選擇性、高靈敏度的化學(xué)和生物傳感器。

▲六苯并苝衍生物的堆積模式

通過(guò)上圖，我們可以看到該有機(jī)半導(dǎo)體的堆積模式具有高度一致的周期性結(jié)構(gòu)，而每個(gè)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬均不到2nm。

當(dāng)然，從目前來(lái)看，利用“自組裝”技術(shù)來(lái)打造半導(dǎo)體芯片仍處于實(shí)驗(yàn)室或者試驗(yàn)生產(chǎn)階段，要想走向大規(guī)模商用還需要解決一些問題，比如前面Karl Skjonnemand提到的需要解決“結(jié)構(gòu)中任何微小的缺陷”，此外，還需要有一套對(duì)應(yīng)的開發(fā)工具來(lái)便于芯片設(shè)計(jì)公司利用自組裝技術(shù)和材料來(lái)進(jìn)行開發(fā)。

不過(guò)，相對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制程技術(shù)來(lái)說(shuō)，“自組裝”技術(shù)確實(shí)將有助于繼續(xù)推動(dòng)芯片制造工藝的提升，同時(shí)極大的降低先進(jìn)芯片制造的成本。

“通過(guò)自組裝材料，繼續(xù)擴(kuò)展計(jì)算和數(shù)字革命。這可能是分子制造新時(shí)代的曙光?！盞arlSkjonnemand說(shuō)到。