Vídeo: The full EUV optical light path - Inside the TWINSCAN NXE:3400 EUV lithography machine | ASML (Outubro 2024)
Quando se trata de fabricação de chips, quanto menor, melhor. Ou seja, transistores menores levam a chips que incorporam mais funções em uma área menor e, historicamente, isso leva à melhoria contínua dos produtos e a custos mais baixos de computação, com densidades dobrando a cada dois anos. Mas, nos últimos anos, essa melhoria diminuiu, em parte porque está ficando mais difícil usar as ferramentas litográficas convencionais para produzir as linhas menores necessárias para chips menores. A grande esperança da indústria para uma inovação é algo chamado litografia ultravioleta extrema (EUV).
Escrevo sobre o EUV há anos, e as primeiras máquinas de teste foram instaladas há cerca de uma década nas instalações de pesquisa de fabricação de chips da SUNY e IMEC. Os grandes fabricantes de chips testam máquinas EUV há anos, mas recentemente atualizam suas máquinas e instalam novos modelos, e agora estão falando abertamente sobre como usarão EUV em seus nós de fabricação de 7 nm e 5 nm.
Fiquei um pouco surpreso ao saber recentemente que alguns dos componentes mais importantes de um sistema EUV são realmente fabricados em Wilton, Connecticut, a cerca de 72 km de Nova York.
Primeiro, alguns antecedentes. Todos os chips eletrônicos usados hoje são produzidos em uma complexa série de etapas que envolvem padronização com fotolitografia, onde a luz passa através de uma máscara para uma pastilha de silício, depositando materiais na pastilha e gravando as partes indesejadas em sucessão para fabricar os transistores e os outros componentes de um chip. Normalmente, um único chip passa por várias etapas da litografia, criando várias camadas. Em praticamente todos os chips atuais, os fabricantes usam um processo chamado litografia de imersão de 193nm ou litografia DUV (ultravioleta profunda), na qual a luz com comprimento de onda de 193nm é refratada através de um líquido para um fotorresistente para criar esses padrões.
Esse tipo de litografia tem um limite - na medida em que o tamanho das linhas que ele pode criar em um passe -, em muitos casos, os fabricantes de chips passaram a padronizar uma única camada várias vezes para criar o design proposto. De fato, o padrão duplo agora é comum, e a mais nova geração de chips da Intel e de outros usa uma técnica chamada padrão quad-auto-alinhado (SAQP). Mas cada etapa adicional de padronização leva tempo, e os erros para alinhar os padrões corretamente podem dificultar a perfeita perfeição de cada chip, reduzindo assim o rendimento de bons chips.
A litografia ultravioleta extrema (EUV) usa luz com um comprimento de onda menor de 13, 5 nm. Isso pode padronizar recursos muito mais refinados, mas também apresenta muitos desafios técnicos. Como me foi explicado uma vez, você começa pulverizando estanho derretido a 250 quilômetros por hora, atingindo-o com um laser em um pré-pulso para distribuí-lo, explodindo-o com outro laser para criar um plasma e depois rebatendo a luz espelhos para criar um raio que deve atingir a bolacha exatamente no ponto certo. Em outras palavras, é como tentar acertar uma bola de beisebol em uma área de 2, 5 cm exatamente no mesmo local nas arquibancadas 10 bilhões de vezes por dia. Para fazer isso funcionar, é necessária uma fonte de energia de plasma de alta potência para alimentar a luz e, por ser tão complexa, o processo exige um alinhamento preciso de todas as partes do sistema.
Devido a essa complexidade, a ASML - o grande fabricante holandês de ferramentas de litografia - é a única empresa que fabrica máquinas EUV, e os dispositivos exigem peças e módulos de várias instalações. Atualmente, a fábrica em Wilton fabrica módulos críticos para máquinas DUV e EUV, em óptica e mecânica de precisão, de acordo com o bolsista ASML Chip Mason.
Em particular, a fábrica de Wilton fabrica o módulo que ocupa o terço superior da atual máquina Twinscan NXE: 3350B, que manipula e alinha com precisão o estágio do retículo, que, por sua vez, mantém a máscara através da qual a luz é iluminada para fazer o padrão, bem como sensores de nivelamento e alinhamento de wafer. O próprio módulo superior é composto por outros módulos produzidos na fábrica.
O gerente geral da ASML Wilton, Bill Amalfitano, explicou como, em uma máquina EUV, o módulo superior lida com o retículo, o fundo lida com o wafer e o meio lida com a óptica de alta precisão, fabricada pela Zeiss.
Como Mason explicou, o posicionamento e o alinhamento precisos do retículo com a ótica são críticos na fabricação dos chips. Para fazer isso, a equipe de Wilton trabalha com equipes da Holanda, um grupo de litografia computacional em San Jose e um grupo de metrologia. A máquina mede constantemente onde estão as coisas e devolve as correções em um processo conhecido como "litografia holística". Todas as peças são enviadas de volta para a ASML em Veldhoven, na Holanda, onde são integradas ao sistema completo.
As máquinas finais são muito grandes - praticamente do tamanho de uma sala. Mason observa que cada nova geração de ferramentas litográficas trouxe um processo mais difícil, com máquinas maiores criando recursos cada vez menores. Nesse momento, ele disse, ninguém pode ser especialista em todo o processo, por isso exige muito trabalho em equipe, tanto dentro da fábrica quanto com os outros locais da empresa.
"Não era há 10 anos que era fácil", brincou Mason, observando que os processos mais antigos também "pareciam impossíveis na época".
Por mais complexas que sejam, as atuais máquinas EUV não são o fim da linha. Mason disse que a empresa está trabalhando no EUV de alta NA (abertura numérica), junto com melhorias na litografia holística e recursos adicionais de correção de proximidade óptica, para poder imprimir recursos ainda mais refinados. Melhorar a densidade do transistor é "um trabalho significativo", disse Mason, observando que os funcionários das instalações sentem a responsabilidade de fornecer a nova tecnologia.
Tive a oportunidade de percorrer a fábrica com o gerente da ASML Wilton GM Bill Amalfitano, que explicou que a fabricação foi feita em uma sala limpa de 90.000 pés quadrados, em uma instalação de 300.000 pés quadrados.
A sala limpa parece ser o equivalente a cerca de dois andares, e até isso parece apertado para alguns dos equipamentos mais recentes, como máquinas EUV Twinscan completas. Tudo parece muito bem organizado, com estações diferentes para criar as dezenas de subsistemas diferentes que entram nos módulos finais e tudo codificado por cores por função.
Fiquei curioso para saber como esse tipo de trabalho terminou em Connecticut. Mason e Amalfitano, que trabalham nas instalações há muitos anos, explicaram que tudo começou anos atrás, quando Perkins-Elmer, então em Norwalk, estava criando óptica avançada para coisas como espelhos para o telescópio Hubble. Essa empresa começou a trabalhar em ferramentas de litografia no final da década de 1960 e, eventualmente, se tornou um dos principais fornecedores com suas ferramentas Micralign. A Perkins-Elmer vendeu a divisão para o Silicon Valley Group em 1990, que a renomeou como Silicon Valley Group Lithography (SVGL), que por sua vez foi adquirida em 2001 pela ASML.
Ao longo do caminho, explicou Amalfitano, a instalação continuou a se expandir. Atualmente, emprega mais de 1.200 pessoas - e cresce - em cerca de 16.000 funcionários no total da ASML.
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