石頭智能洗地機A10 Plus體驗：雙向自清潔治好了我的懶癌
一、前言和介紹專為家庭請假懶人而生的石頭科技在近日又帶來了自己的全新旗艦新品，石頭智能洗地機A10 Plus。從這個產品名上就不難看出，這次石頭推出的并不是常見的掃地機器
可以說在過去幾十年，半導體產業在摩爾定律的推動下持續高速發展。但隨著晶體管縮放尺寸逐漸逼近物理極限，半導體工藝制程的推進也越來越困難，“摩爾定律”已死的說法被越來越多的人認同。
目前臺積電、三星、英特爾等少數的尖端制程制造商，也只能依靠著越來越昂貴的EUV光刻機在艱難的推動半導體制程微縮，但是這依舊面臨著非常多的工藝上的挑戰以及成本難題。
對此，科技界也希望尋找一些新的技術路徑來改變目前的半導體制造困境，比如定向自組裝（DSA）技術。
DSA技術再度興起
嚴格來說，DSA技術并不是一項新技術。早在十年前，當半導體行業正在努力發展EUV光刻技術時，DSA技術幾乎成為了每一家決心跨過193nm(光源)光刻機限制的制造商的前沿技術路線。
這也是2012年SPIE高級光刻會議的熱門話題，應用材料公司的一位與會者稱DSA技術具有顛覆行業的潛力。
然而，與半導體行業的許多新技術一樣，DSA解決重大行業挑戰的潛力所帶來的希望和興奮很快就遇到了越來越難以克服的挑戰。缺陷控制、可擴展性和集成到現有工作流程的復雜性阻礙了進展。
隨后，DSA被大多數公司擱置，尤其是隨著EUV技術逐步被應用于生產。
但是DSA初針對的問題，比如在當前光刻技術的限制下改進圖案的CD特征值（光刻系統能夠放大的小精度，CD=k1*λ/NA）過程中，并沒有消失。
此外，一些新的缺陷，如先進的EUV節點中的隨機缺陷正在出現。Fractilia首席執行官Chris Mack表示，隨機性可以占大批量制造商（HVM）EUV圖案化錯誤預算總額的50%以上。
imec的研發團隊負責人Hyo Seon Suh表示：“對DSA的普遍批評是，由于結構的自組裝性質，很難控制缺陷。”
“但EUV中的隨機缺陷也很難控制，這就是為什么許多行業和我們的核心芯片制造商合作伙伴再次將DSA視為糾正隨機問題的可行選擇。”
英特爾發言人還表示，該公司目前正在開發幾種利用定向自組裝（DSA）的集成工藝流程。“我們在SPIE等會議上公開討論的一個工藝流程是使用DSA進行EUV抗蝕劑整流。
DSA可以從根本上改善EUV光刻固有的系統性和隨機性變化。使用這項技術，英特爾展示了一種DSA增強的EUV多圖案化方法，終金屬間距為18nm，電氣性能穩健。”
其他人也表示同意。布魯爾科學公司首席技術官Rama Puligadda表示：“DSA正在回歸。”“但形式完全不同。它被用來輔助EUV，主要是用來校正線條。”
定向自組裝（DSA）通常被描述為共聚物材料自組裝以在半導體襯底上形成納米級分辨率圖案的過程。
雖然這是一個準確的描述，但它并沒有提供太多細節來說明這一過程是如何完成的，以及為什么這些共聚物材料會以這種方式表現。對這一過程進行一些簡化的解釋有助于理解DSA技術如何有利于CD分辨率并為較低的制程工藝節點提供修復。
分離科學——從沙拉醬到半導體
DSA原理在大自然中隨處可見，比如我們的脂質膜到細胞結構，再到DNA能夠復制，并且一代代的遺傳下去，就是一種自然組裝技術。
天然的DSA形狀是納米級的，有規律和周期性，還很長，這就是我們在晶體管排列中所需要的，重要的是，它們能夠提供比傳統晶體管蝕刻更為精細的細節。
以下內容可能不太容易理解，所以這里先借用美國研究人員Karl Skjonnemand關于自組裝技術的TED演講視頻來便于大家理解：
正如油和醋由于其不相容的性質會分離成不同的層一樣，DSA中使用的某些聚合物表現相似，在納米尺度上。DSA通常將苯乙烯（S）單體結合形成聚苯乙烯（PS），并將甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體組合形成聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA。
DSA中通常使用的聚合物，如聚苯乙烯和PMMA，被設計成類似于油和醋的化學相分離。與后者不同，后者的分離是均勻的，在DSA中，這些聚合物的分離可以被仔細控制，從而產生精確的納米級結構。
△圖1:PS-b-PMMA嵌段共聚物的形態。資料來源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley
PS通常通過陰離子聚合來合成。這包括使用像鈉或鉀這樣的強堿來形成碳負離子，碳負離子在鏈的生長中起著至關重要的作用。陰離子聚合提供的精確控制使其成為生產具有特定長度和分子量的聚合物的理想選擇。
另一方面，PMMA可以通過自由基聚合或原子轉移自由基聚合（ATRP）來合成。盡管與PS合成不同，但這兩種工藝都致力于制造具有特定特性的聚合物。這是重要的，因為DSA過程中得到的結構的形狀由這些聚合物的終構型決定。[3]
當使用諸如ATRP的技術合成時，PS和PMMA聚合物形成嵌段共聚物（BCP）PS-b-PMMA。PS和PMMA的嵌段在聚合物鏈內共價連接，但由于其化學差異，它們分離成不同的結構域（見圖1）。
PS也是疏水性嵌段，其中PMMA是親水性的，因此當它們形成鏈時，BCP的PS端連接，PMMA端連接，同時相互排斥。（圖2）
△圖2：PS-b-PMMA BCP鏈中產生的不同結構域為半導體結構提供了基礎模板。資料來源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley。
應該注意的是，嵌段之間的能量差越大，它們之間的偏析就越明顯，這允許更小的鏈長度和對可以形成的CD的更精細的控制。
然而，與半導體制造業的大多數事情一樣，沒有什么是免費的。如果能量差太大，可能會導致過度的相分離，從而可能導致加工復雜性或制造過程中的缺陷。
平衡區塊之間的能量差、鏈長度和所需的域大小需要仔細優化和考慮具體應用。實現這種平衡是一項復雜的任務，需要對聚合物化學進行精確的控制和理解。
定義CD
使用DSA對硅進行圖案化有兩種有效的方法——石墨外延流和化學外延流。石墨外延流使用傳統光刻法對尺寸通常為終CD尺寸的2倍至5倍的襯底進行構圖。用BCP填充溝槽并退火（>180°C）以誘導相分離。
溝槽的底部必須是中性的，以防止BCP粘附在基底上，同時一面墻與BCP濕結合。所得結構的CD由BCP鏈的長度定義（見圖3）。
△圖3：一個簡化的流動演示了石墨定向自組裝。資料來源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley
另一方面，化學外延流依賴于不同的表面能來排列BCP層。在這個過程中，交聯PS的區域被施加到襯底上的中性區域旁邊。BCP中的PS與交聯的PS形成鍵，但與PMMA不形成鍵，并且中性區域不形成鍵。PS鍵為BCP流提供了錨，使相移的BCP在垂直維度上對齊（見圖4）。
△圖4：顯示化學外延DSA的簡化流程。資料來源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley
“例如，如果你使用193nm光刻工藝，它就無法形成這種間距圖案，”imec的研發團隊負責人Hyo Seon Suh說。“但我們可以制作一個更大的間距模式，并用DSA填充。這被稱為‘間距分割’。DSA使制造商可以實現只有EUV光刻機才能實現的尺寸，但無需購買EUV光刻機。”
DSA的優點之一是其根據PS與PMMA的單體比例形成不同結構的靈活性。當每種聚合物的比例約為50%時，可以獲得如上圖所示的片狀圖案。
一個塊與另一個塊的比率顯著較低可以在較大塊的矩陣內形成較小塊的球體，而相同塊的比率較高可以形成圓柱形結構。這有助于提高孔的CD，甚至使孔倍增（見圖5）。
“定義結構不需要完美，”Hyo Seon Suh補充道。“我們只需要一些模式，我們可以引導局部聚合物的自組裝，從而形成干凈的模式。”
△圖5：從較大的孔圖案中獲得較小尺寸孔圖案的過程。來源：imec
如上所述，這些是兩種一般類型的工藝流程的簡化示例，盡管每種工藝流程中都有多個子集，使用不同的化學品、材料和層；行動命令；以及實現期望結果的附加步驟。
石墨外延和化學外延都有其長處和短處。石墨沉淀利用成熟的工藝形成基底結構，通常需要較少的步驟才能獲得終的CD。
然而，它要求溝槽的尺寸與鍵合對的BCP鏈長度完全匹配，任何線形圖案的不規則性都可能出現在BCP結構中。
化學外延需要更少的空間來實現類似的CD，并且在設計上提供了更多的靈活性，因為它不需要與BCP鏈長度精確匹配。
但它通常涉及更復雜和微妙的過程，包括使用特定的化學構圖材料，這可能會使控制變得更具挑戰性。化學外延也可能對表面能和聚合物-襯底相互作用的變化更敏感，如果不精確處理，可能會導致缺陷。
DSA的缺點是缺陷
將DSA從實驗室引入晶圓廠仍然主要受到缺陷控制的阻礙。盡管控制在過去三年中有了顯著改善，但缺陷仍然太高，無法滿足<1/cm2的行業標準。
DSA中常見的缺陷包括線間橋接、線塌陷、氣泡和線位錯。位錯是一個特別的挑戰，因為它們在蝕刻或圖案轉移過程中無法去除（見圖6）。
圖6:使用 DSA 的 EUV 圖案的 13nm/P28 不同缺陷的每平方厘米密度。來源：imec
DSA中的缺陷問題是復雜的，影響缺陷的因素很多。工藝相關的問題可能包括退火溫度、蝕刻方法、剝離方法和所需的膜厚度，而BCP本身的純度和成分等化學因素可能會引發問題。
DSA過程的一個顯著缺點是，它只能制作周期性的、簡單的結構，例如空間中的線或孔，這使得它對常規存儲器芯片更好，但對邏輯芯片來說更難。“如果一個器件有一個我們必須構建的結構，它必須是周期性的和簡單的，”Hyo Seon Suh說。“這對DRAM來說很好，因為DRAM的結構是基本的，在高度重復的模式中是一致的。在邏輯器件的情況下，這是一個更隨機的結構，所以結構的設計需要有DSA意識。”
其他人也表示同意。英特爾發言人表示：“DSA面臨的大挑戰一直是缺陷以及如何使布局對DSA友好。”“幾年來，英特爾一直與材料和工具供應商合作，將DSA缺陷降低到HVM級別，并與內部設計團隊合作，使布局與DSA兼容。”
DSA檢查和計量
DSA結構的尺寸計量也存在重大問題。DSA形成的圖案缺乏化學對比度，這對測量的靈敏度提出了挑戰。這些圖案在轉移到基板上（通過蝕刻）后可以更好地看到，但這嚴重限制了微調和校正的選擇，導致成本高昂且耗時的返工，甚至報廢整個批次。
CD-SEM圖像主要用于識別DSA結構中的圖案缺陷，但CD-SEM速度較慢，并且僅限于芯片上的幾個樣品位點，考慮到DSA的較高缺陷率，這是一個問題。
此外，很少有數據集具有可供分析的比較監督模型。然而，imec的研究人員在6月發表了一篇論文，內容是使用SEM圖像分析的機器學習（ML）模型，使用YOLOv8（一種先進的神經網絡）為六邊形接觸孔DSA圖案的數據集獲得完整的標簽，該網絡的精度超過0.9mAP（平均精度的90%）。
根據多個來源，今天的DSA檢查通常使用散射測量法進行。然而，imec的Dehaerne及其同事指出，DSA分析沒有傳統的自動缺陷檢測軟件。
“基于機器學習的SEM圖像分析已成為使用監督ML模型進行缺陷檢測的一個越來越受歡迎的研究課題。”
DSA的新興用途
對計量學的研究只是DSA在半導體制造中突破性新應用的新進展之一。韓國高級科學技術研究院的科學家們正在使用<10nm的BCP沿著石墨烯2D薄片的原子邊緣進行自組裝，以可靠地對線邊緣和線寬粗糙度非常低的2D材料進行納米圖案化，形成具有開關特性的<10nm石墨烯納米帶陣列。
布魯克海文國家實驗室的科學家近使用DSA在硅襯底上開發了一種超導薄膜量子材料（厚度<100nm）。
他們的工藝可以在現有的半導體制造工藝中實現具有成本效益的大批量薄膜制造（HVM），這些工藝在幾乎零能量損失的情況下表現出電轉移。
結論
對于定向自組裝技術熱潮的重新出現來說，這是一個激動人心的時刻。DSA為193nm光刻和EUV光刻的較低節點的圖案校正提供了一種可行的制造工藝，因為缺陷率正在降低，新的計量選項上線。吸引人的是，它可以在不必購買EUV光刻機的情況下擴展193nm光刻。
在十年前有了一個充滿希望的開端，隨后在實驗室里經歷了多年的煎熬之后，DSA領域突然發展得更快。
盡管DSA尚未用于生產，但對新工藝流程和更高質量聚合物的研究可以實現對重復結構中特征尺寸和圖案的更精細控制。
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