Pesquisas em fotolitografia mostram que chips de computador têm potencial para se tornarem ainda menores

Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI têm melhorado a resolução de um processo conhecido como fotolitografia. Eles esperam usar sua técnica para ajudar a avançar a miniaturização de chips de computador.

Miniaturizar chips de computador é uma das chaves para a revolução digital. Ela permite que os computadores se tornem cada vez menores e, ao mesmo tempo, mais poderosos. Isso, por sua vez, é um pré-requisito para desenvolvimentos como direção autônoma, inteligência artificial e o padrão 5G para comunicações móveis. Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Iason Giannopoulos, Yasin Ekinci e Dimitrios Kazazis do Laboratório de Nanociência e Tecnologias de Raios X do Instituto Paul Scherrer PSI desenvolveu uma técnica para criar padrões de circuitos ainda mais densos.

Os atuais microchips de última geração têm trilhas condutoras separadas por doze nanômetros, ou seja, cerca de 6000 vezes mais finas que um fio de cabelo humano. Os pesquisadores, por outro lado, conseguiram produzir trilhas com uma separação de apenas cinco nanômetros. Como resultado, os circuitos podem ser projetados de forma muito mais compacta do que antes.

“Nosso trabalho mostra o potencial de padronização da luz. Este é um passo significativo para a indústria e para a pesquisa”, explica Giannopoulos.

Os microchips são produzidos como as imagens numa tela de cinema

Em 1970, havia espaço apenas para cerca de 1000 transistores em um microchip. Hoje, uma área pouco maior que a ponta de um dedo pode conter cerca de 60 bilhões de componentes. Esses componentes são fabricados usando um processo chamado fotolitografia: uma fina fatia de silício, o wafer, é revestida com uma camada sensível à luz, o fotorresiste.

Ele é então exposto a um padrão de luz correspondente ao projeto do microchip, que altera as propriedades químicas do fotorresistente, tornando-o solúvel ou insolúvel a certas soluções químicas. O tratamento subsequente remove as regiões expostas (processo positivo) ou não expostas (processo negativo). No final, trilhas condutoras são deixadas para trás no wafer, formando o padrão de fiação desejado.

O tipo de luz usada é crucial para a miniaturização e para tornar os microchips cada vez mais compactos. As leis da física determinam que quanto menor o comprimento de onda da luz usada, mais próximas as estruturas na imagem podem ser empacotadas. Por muito tempo, a indústria usou luz ultravioleta profunda (DUV). Essa luz laser tem um comprimento de onda de 193 nanômetros. Em comparação, o alcance da luz azul visível ao olho humano termina em torno de 400 nanômetros.

Desde 2019, os fabricantes têm usado “luz ultravioleta extrema” (EUV) com um comprimento de onda de 13,5 nanômetros na produção em massa, mais de dez vezes menor do que antes. Isso torna possível imprimir estruturas ainda mais finas, de até dez nanômetros e menos. Na PSI, os pesquisadores usam radiação da Swiss Light Source SLS para suas investigações, ajustada para 13,5 nanômetros de acordo com o padrão da indústria.

A litografia baseada em fótons pode atingir uma resolução muito alta

No entanto, os pesquisadores do PSI estenderam a litografia EUV convencional expondo a amostra indiretamente em vez de diretamente. Na litografia de interferência de espelho EUV (MIL), dois feixes mutuamente coerentes são refletidos na pastilha por dois espelhos idênticos. Os feixes então criam um padrão de interferência cujo período depende tanto do ângulo de incidência quanto do comprimento de onda da luz.

O grupo conseguiu atingir resoluções, ou seja, separações de trilhas, de cinco nanômetros — em uma única exposição. Vistas sob um microscópio eletrônico, as trilhas condutoras apresentaram alto contraste e bordas nítidas.

Kazazis observa: “Nossos resultados mostram que a litografia EUV pode produzir resoluções extremamente altas, indicando que ainda não há limitações fundamentais. Isso é realmente empolgante, pois amplia o horizonte do que consideramos possível e também pode abrir novos caminhos para pesquisa no campo da litografia EUV e materiais fotorresistentes.”

Uma nova ferramenta EUVL a partir do final de 2025

No momento, essa abordagem não é interessante para a produção industrial de chips, porque é muito lenta em comparação aos padrões industriais e pode produzir apenas estruturas simples e periódicas em vez de um design de chip. No entanto, ela oferece um método para o desenvolvimento inicial de fotorresistentes necessários para a futura produção de chips com uma resolução que não é possível na indústria.

A equipe planeja continuar sua pesquisa usando uma nova ferramenta EUV no SLS, prevista para o final de 2025. A nova ferramenta, juntamente com o SLS 2.0, que atualmente está passando por uma atualização, fornecerá desempenho e recursos muito aprimorados.