Um microchip é uma lasanha eletrônica: uma base de transistores cobertos com camadas de dados e potência de deslocamento de fiação de cobre. Um processador de ponta pode embalar mais de 100 bilhões de transistores, contém mais de 70 camadas e possui mais de 100 quilômetros de fiação, tudo em um pedaço de silício cerca de 1½ vezes o tamanho de um carimbo postal padrão. Para construir esses pequenos recursos, uma máquina de litografia funciona em estágios, gravando padrões de transistores e fios de metal em uma bolacha, camada por camada. Uma única bolacha pode conter centenas de chips.
A ferramenta da ASML é complexa, mas seu princípio básico é muito parecido com o de um projetor de slides antigo: a luz passa por um estêncil para projetar uma imagem em uma superfície. O menor recurso que uma ferramenta de litografia óptica pode imprimir depende principalmente de dois fatores. O primeiro é o comprimento de onda da luz. Assim como um pincel mais fino permite traços mais detalhados, os comprimentos de onda mais curtos permitem padrões menores. Os sistemas mais antigos da ASML usavam luz ultravioleta profunda (DUV), com comprimentos de onda entre 248Nm e 193Nm, produzindo características tão pequenas quanto 38nm.
Para encolher ainda mais o chip, asml se transformaram na luz EUV, com um comprimento de onda de 13,5nm. Enquanto o EUV é naturalmente emitido no espaço pela coroa solar, produzi -lo na Terra é muito mais complicado. A luz EUV também é completamente absorvida pelo ar, vidro e a maioria dos materiais; portanto, o processo deve ser fechado no vácuo, usando espelhos especiais para refletir e guiar a luz. A ASML passou duas décadas aperfeiçoando o método que dispara lasers em gotículas derretidas para criar e gerar esse feixe indescritível.
O outro mostrador que define o menor tamanho de recurso é a abertura numérica (Na) dos espelhos, uma medida de quanta luz eles podem coletar e focar. Os sistemas mais recentes da ASML, chamados High-NA EUV, usam espelhos com uma abertura de 0,55, permitindo imprimir recursos em chips tão pequenos quanto 8nm. Para ficar menor ainda, a empresa está estudando o que chama de Hyper-NA, acionando a abertura até mais de 0,75 enquanto ainda usa a luz EUV existente. Um NA mais alto significa que os espelhos coletam e focam a luz que vem de uma gama mais ampla de ângulos, melhorando a precisão. Isso tem um custo. O NAS maior exige espelhos maiores para interceptar e direcionar os caminhos de luz expandidos. Quando o ASML aumentou o Na de suas máquinas de 0,33 para 0,55, os espelhos dobraram de tamanho e ficaram 10 vezes mais pesados, agora pesando várias centenas de quilos. Aumentar o NA novamente adicionará apenas a granel, levantando preocupações sobre o consumo de energia.
Outro obstáculo é o preço. O ASML não divulga números precisos, mas sua mais recente máquina EUV era quase duas vezes mais cara do que seu antecessor. Um sistema hiper-NA seria ainda mais caro. Embora a empresa adverte que não há garantias de que ela seja produzida, Jos Benschop, chefe de tecnologia da ASML, acredita que uma máquina Hyper-NA pode chegar nos próximos cinco a 10 anos, pendente de demanda.
Alguns pesquisadores já estão planejando ir além da luz do EUV, visando comprimentos de onda de cerca de 6 nm. Isso exigiria avanços em fontes de luz, óptica e foto-resistência (o revestimento sensível à luz nas bolachas). Os comprimentos de onda mais curtos também trazem novos desafios, incluindo “ruído de tiro”, ou movimentos aleatórios de partículas que desbotam os padrões. Mas Yasin Ekinci, do Paul Scherrer Institute, um centro de pesquisa suíço, vê isso como um “Plano B” se o Hyper-NA não conseguir entregar.
Embora o ASML ultrapasse os limites da litografia óptica, a China – cortada das ferramentas de chips mais avançadas – está tentando extrair mais das máquinas ASML mais antigas (capazes de 28nm e acima), ainda pode importar. Uma abordagem é multi-padronização, na qual um padrão é dividido em vários estágios de gravação, permitindo que uma máquina imprima detalhes duas ou quatro vezes mais pequena. Multi-Patterning é eficaz, mas acrescenta complexidade e retarda a produção.
A sede da ASML está em uma cidade holandesa tranquila. Crédito: Bloomberg
A China também está tentando construir suas próprias ferramentas de litografia. A Smee, uma empresa estatal, está progredindo em uma máquina capaz de produzir chips de 28nm usando luz DUV. Mas o desenvolvimento de um sistema EUV é um desafio totalmente diferente. Jeff Koch, da Semiânica, uma empresa de pesquisa, ressalta que, além de dominar a própria luz do EUV, a China precisaria replicar a vasta cadeia de suprimentos da ASML, estendendo -se para mais de 5000 fornecedores especializados.
O domínio da ASML na litografia de ponta, portanto, parece inabalável. Mas a Canon, uma vez que um líder da indústria, está apostando em uma alternativa. A litografia de nanoimprint (NIL) carimca padrões de circuito diretamente nas bolachas, como uma prensa de impressão. Em teoria, o NIL poderia criar recursos com precisão de nanômetro, oferecendo um rival compacto de baixo custo às máquinas EUV da ASML.
O processo nulo começa com a criação de uma máscara mestre que possui o modelo do circuito gravado nele por um feixe de elétrons. Em seguida, as gotículas de uma resina líquida são aplicadas à bolacha antes que uma máscara pressione o padrão de circuito na bolacha. A luz ultravioleta é então usada para solidificar a resina e formar os padrões de circuito, após o que a máscara é removida. Esta etapa é repetida para todas as camadas do chip. A Canon estima que sua abordagem custa cerca de 40 % menos que uma máquina comparável da ASML.
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Para que o NIL se torne uma tecnologia de chips de mainstream, ela deve superar vários desafios. Os defeitos são uma grande preocupação – pequenas partículas ou imperfeições no molde podem criar falhas repetidas em bolachas inteiras. O alinhamento é outro obstáculo. Como os chips são construídos em camadas, os padrões de circuito de cada camada devem se alinhar com precisão. Qualquer variação na planicidade da bolacha ou leve desalinhamento entre o molde e a bolacha pode causar erros de nanoescala, interrompendo as conexões elétricas. A Canon afirma que seu sistema atinge a precisão do nanômetro, mas manter isso de forma consistente durante a produção é difícil. Depois, há taxa de transferência ou quantas bolachas uma máquina pode processar por hora. As ferramentas EUV de alto NA da ASML podem lidar com mais de 180 bolachas por hora, com alguns modelos mais antigos atingindo quase o dobro disso. Por outro lado, o mais recente sistema NIL da Canon gerencia apenas 110 bolachas por hora, tornando-o menos adequado para a produção de chips de alto volume-pelo menos por enquanto.
Até agora, o NIL encontrou mais sucesso fora da fabricação de semicondutores, particularmente ao fazer exibições de smartphones e outros componentes de alta precisão. A tecnologia agora está fazendo incursões na produção de chip de memória, onde taxas de defeitos mais altas são mais toleráveis do que nos chips lógicos. Iwamoto Kazunori, o chefe da divisão óptica da Canon, acredita que o NIL pode coexistir com a litografia EUV, realizando etapas de fabricação baratas onde podem e se afastar de detalhes mais finos.
Essa inovação pode ajudar as empresas a projetar chips mais rápidos e com eficiência energética capazes de alimentar uma nova geração de modelos de IA. Se o ASML não tomar cuidado, a máquina mais importante do mundo pode não manter seu título para sempre.
