Nanofabricação: a próxima geração na produção de chips?

IST Results - 01/09/2005

Equipamento nanotecnológico

Pesquisadores europeus criaram um novo equipamento nanotecnológico que poderá cortar dramaticamente o custo de pesquisas de ponta em escalas abaixo dos 50 nanômetros. A nova ferramenta poderá abrir caminho para uma nova geração de litografia, o método pelo qual os chips são produzidos.

A primeira geração do equipamento, que já está disponível comercialmente, tem o custo baixo quando comparado com outras alternativas que trabalham na mesma escala. Por exemplo, um equipamento de litografia de feixe de elétrons custa cerca de €2 milhões. Já o novo equipamento, batizado de máquina de impressão ultravioleta leve, custa abaixo de €200.000,00.

"Em princípio, esta nova técnica tem o potencial para ser usada para a produção em massa na indústria de semicondutores. Uma técnica que nós utilizamos já forma padrões abaixo da escala de 10 nanômetros," explica o Dr. Markus Bender, coordenador do projeto SOUVENIR ("SOft UV Enhanced NanoImpRint).

Nanolitografia

A próxima geração de litografia - ou "Next Generation Lithography" (NGL) - é atualmente o cálice sagrado da indústria de semicondutores. Ela deverá permitir a fabricação rápida e em larga-escala de microchips em escalas abaixo dos 50 nanômetros. A gigante da indústria Intel investe milhões de dólares nesta tecnologia há mais de 15 anos. A pequena e brilhante equipe do projeto SOUVENIR pode ter encontrado a solução em apenas três anos, a custo de €2,3 milhões.

Ainda levará alguns anos de pesquisas adicionais para se saber se o trabalho do projeto SOUVENIR irá realmente levar a uma NGL viável, mas mesmo com seu equipamento de primeira geração, os pesquisadores alcançaram resultados dignos de nota; e já conseguiram colocar uma nova máquina em comercialização.

A fotolitografia funciona projetando-se luz através de uma máscara, para se produzir padrões sobre um substrato recoberto quimicamente. A luz altera a estrutura química do substrato. Dependendo do tipo de fotolitografia, ou o padrão projetado ou a sua sombra, são retirados do substrato no passo subseqüente. Mas o resultado final é sempre um padrão gravado sobre esse substrato.

Com a nanolitografia, os padrões são invisíveis ao olho humano e à maioria dos microscópios hoje existentes. O resultado são circuitos diminutos no interior dos chips.

O projeto SOUVENIR desenvolveu uma nova técnica para criar esses padrões, que tanto é de baixo custo quanto relativamente simples tecnologicamente. Num primeiro passo, o substrato é recoberto com um composto de baixa viscosidade, curável sob ação de luz ultravioleta, chamado resiste. A seguir é utilizada uma matriz de polímero, chamado elastômero, pressionada contra o substrato recoberto com o resiste - a chamada estampagem. Finalmente, ocorre a fotopolimerização - ou cura - do resiste, com luz ultravioleta.

Fotolitografia

Essa técnica é mais barata do que outros métodos de fotolitografia. Como a matriz é pressionada contra o resiste, o sistema não necessita das extremamente caras fontes de luz ultravioleta "profundas", utilizadas pela indústria de semicondutores. Essas fontes de luz somente funcionam adequadamente no vácuo. Finalmente, o molde de elastômero é consideravelmente mais barato do que aqueles utilizados hoje na fabricação de chips. O resultado é um processo de baixo custo, que funciona na escala abaixo de 50 nanômetros.

Entretanto, o baixo custo é alcançado a um preço. Atualmente, o sistema é muito lento e inadequado para substituir os processos industriais de fotolitografia. Além disso, as matrizes de elastômero utilizadas necessitam de mais desenvolvimento para poderem ser adequadas aos processos de alinhamento de alta resolução, essenciais para a fabricação de semicondutores em massa.

Mas isto não tira os méritos da pesquisa, que tem o potencial para se transformar na próxima geração da litografia. Graças a uma pesquisa feita pelo governo da Alemanha (BMBF: Federal Ministry of Education and Research), já é possível utilizar a mesma técnica de estampagem utilizando-se matrizes duras, feitas à base de quartzo, as quais não têm exigências de precisão para a fabricação de semicondutores.

"Ainda há problemas com esta técnica em particular," diz o Dr. Bender. "O método do quartzo somente funciona com um substrato de dois centímetros quadrados e meio, mas nós podemos utilizar o molde de elastômero com uma pastilha de quinze centímetros," explica ele. Além disso, embora o quartzo resolva as questões de precisão, a técnica é atualmente muito lenta para empresas industriais operando em larga escala.

Ultravioleta extremo

Mas o Dr. Bender acredita que, com empenho nas pesquisas, essas restrições poderão ser superadas: "Esta é a primeira geração do equipamento que nós desenvolvemos e, com trabalho, em princípio nós podemos conseguir resultados melhores, mais rápidos e mais escaláveis."

Se ele estiver certo, a técnica poderá se tornar uma alternativa viável em relação ao enfoque de alta tecnologia adotado pela Intel para a litografia de próxima geração. As altamente especializadas fontes de luz, espelhos e câmaras de ultra alto vácuo utilizadas na EUVL ("Extreme UltraViolet Light"), da Intel, poderão impor restrições de custo e de escalabilidade quase intransponíveis. Após anos e milhões de dólares, ainda não há um sistema EUVL comercialmente viável.

"Eu creio que há o mesmo potencial na nossa técnica e na EUVL. A estampagem por ultravioleta ainda é uma área pouco investigada, e se não fosse pela União Européia, essa pesquisa não teria recebido recursos. As empresas não estão pesquisando esse campo," diz o Dr. Bender.

"Nós estamos trabalhando em estreita colaboração com uma empresa austríaca, a Electronic Vision Group, para desenvolver ferramentas para os dois enfoques. Eu acredito que, no próximo ano, nós teremos uma ferramenta no mercado para pastilhas de 300 mm," conclui ele.

Esta primeira geração do equipamento é projetada para pequenos volumes de produção, como, por exemplo, sensores químicos e em aplicações de biotecnologia em pequenas empresas e centros de pesquisa. Atualmente, pequenas empresas não conseguem arcar com equipamentos próprios para trabalhar em escalas abaixo dos 50 nanômetros.

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