要了解定向自组装为何如此重要，我们首先需要明白，为什么当前的制造工艺将难以跟上组件持续小型化的步伐。

在基于纯晶体硅晶片的集成电路问世之前，晶体管曾经是一种庞大的设备。经过50年的不断发展，我们现在可以实现尺寸仅为10纳米的晶体管功能结构。

打个比方：一根人类头发的跨度为100微米，而一个晶体管则仅为一微米的几分之一。您可以在整根人类头发上横向放置3000多个晶体管。

除了可以在较小芯片上放置更多晶体管这一显而易见的优势之外，更小的晶体管同样能够实现更快、更高效的开关操作。

 那么，目前的制造工艺是如何运作的，为什么会达到极限？

芯片通常通过光刻法制造。在此过程中，会在硅晶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。

对于速度最快的微芯片，其元件之间的距离在10到20纳米之间，间距为80纳米，此过程将重复大约30次。每个步骤都需要自己昂贵的掩膜，并且每个步骤都会增加流程时间。随着我们朝着小型化的方向发展，行业现在希望将尺寸降至10纳米以下，在这种情况下，光刻技术将变得过于昂贵和复杂。

“此类先进的构图系统已经变得极为复杂，据称，每套系统的成本均超过1亿美元。Branchburg半导体材料研发部主管Karl Skjonnemand说，“半导体工厂通常需要数十台这样的机器。因此人们对此表示严重质疑：这种方法是否长期可行？”

我们正在尝试一种完全不同，且更具成本效益的计算机芯片制造方法——一种受自然启发的方法。

自组装指的是，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。自组装存在于生物系统的许多不同地方，从脂质膜到细胞结构。

我们正在研究，如何将这种自然的分子自组装应用于半导体技术的制造中。

“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。”Skjonnemand说，

“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。”

在我们当前开发的分子自组装中，关键在于嵌段共聚物。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，可形成具有高度规律性的纳米结构。

“这两条聚合物链彼此厌恶、相互排斥，非常像油和水。”Skjonnemand解释说，“我们在核心材料中共有数十亿个这样的部件。其中，相似的部件试图粘合在一起，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，

而且这个自发性的自组装形状具有纳米级、规则性、周期性，且长距离的特点，这正是我们晶体管阵列所需要的。”

通过简单调整聚合物链中嵌段的体积分数，就有可能产生许多不同的规则图案和形状。因此换句话说，我们正在使用分子工程技术自组装纳米级结构，这些可以根据我们的设计调整为确切的样式、尺寸和周期性。

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。它们仍然需要被放置在集成电路中需要晶体管的位置。

对此，我们可以使用传统的光刻方法相对容易地创建导向图案。这些将对嵌段共聚物进行微调，以在硅晶片表面上产生大量新的纳米级功能结构。

“让我们举个例子。”Skjonnemand解释说，“如果我们希望制作一条40纳米的细线——这是传统投影技术很难制造的，我们可以使用普通投影技术制造一条120纳米的导向结构，并对准其中的三条40纳米分线。因此，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’。”

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。我们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，制造过程中的报错大大减少。

我们预计，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。