Fotolitografia ultravioleta extrema (EUV): a tecnologia que sustenta o futuro dos chips.

Ao discutir o futuro dos chips, os celulares mais poderosos ou a inteligência artificial que está por vir, há um termo que sempre surge na conversa: fotolitografia ultravioleta extrema, também chamada de litografia EUVEssa tecnologia se tornou tanto o gargalo quanto a força motriz por trás do avanço dos semicondutores mais avançados do mundo.

Embora o conceito pareça muito técnico, entender o que é a litografia EUV, como ela funciona, quem a controla e qual o seu impacto na geopolítica e na economia global é fundamental para compreender por que há escassez de chips, por que alguns países estão disputando essas máquinas e por que empresas como... ASML, TSMC, Samsung ou Intel Eles se tornaram estratégicos em escala global.

O que é fotolitografia ultravioleta extrema (EUV)?

Na indústria de semicondutores, a litografia EUV refere-se a uma técnica de fotolitografia que utiliza luz ultravioleta extrema com um comprimento de onda de 13,5 nanômetros, ou seja, na região dos chamados raios X suaves dentro do espectro eletromagnético. Esse comprimento de onda é muito menor do que o da luz visível (400-700 nm) e também do que o da litografia ultravioleta profunda (DUV), que normalmente opera em 248 nm (KrF) ou 193 nm (ArF).

A utilização desse comprimento de onda muito curto permite definem padrões muito menores e mais densos em wafers de silício, o que se traduz na possibilidade de integrar bilhões de transistores em um único chip. Cada nova geração de nós litográficos (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) traz consigo chips mais rápidos, com maior capacidade e consumo de energia significativamente menor.

A fotolitografia, seja com DUV ou EUV, consiste basicamente em projetar um padrão geométrico em uma lâmina revestida com fotorresistenteEste fotopolímero é alterado quando iluminado seletivamente através de uma máscara (ou fotomáscara), de modo que as áreas expostas se tornam solúveis ou insolúveis, permitindo que estruturas microscópicas sejam gravadas no substrato. Com a EUV, o princípio físico é o mesmo, mas a complexidade técnica do sistema aumenta drasticamente.

Um fato fundamental é que O comprimento de onda de 13,5 nm é mais de dez vezes menor. do que o usado em scanners ArF (193 nm). Graças a isso, os equipamentos EUV podem imprimir detalhes menores que 20 nm, algo que a litografia convencional só conseguia alcançar com técnicas de múltiplos padrões muito complexas, lentas e caras.

Como a luz EUV é gerada e processada

Produzir luz de 13,5 nm de forma controlada e com a potência necessária é um dos principais desafios técnicos dessa tecnologiaNos sistemas atuais, um fonte de laser de CO₂ de alta potência O dispositivo dispara dois pulsos extremamente rápidos contra uma minúscula gota de estanho líquido em movimento. O primeiro pulso deforma a gota; o segundo, mais intenso, vaporiza-a, formando um plasma.

Esse plasma de estanho quente emite radiação EUV, que é capturada por um espelho coletor e enviada para o restante do sistema óptico. Todo esse processo se repete a uma taxa impressionante, em torno de 50.000 vezes por segundopara gerar um fluxo de luz suficientemente intenso para manter uma taxa de produção industrial.

Como a radiação EUV é absorvida pelo ar, o caminho que ela percorre da fonte até o wafer deve ser dentro de um ambiente fechado. câmara de vácuo de alta qualidadeAlém disso, qualquer partícula de poeira ou qualquer irregularidade mínima nos componentes ópticos pode arruinar a imagem projetada, portanto, os requisitos de limpeza, estabilidade mecânica e controle de vibração são extremos.

Óptica reflexiva, espelhos impossíveis e máscaras especiais.

Ao contrário da litografia DUV, que utiliza lentes de transmissão e máscaras de quartzo transparentes, a litografia EUV baseia-se em Óptica totalmente reflexivaA razão é simples: praticamente todos os materiais, incluindo o vidro usado em lentes tradicionais, absorvem luz de 13,5 nm.

Em vez de lentes, os sistemas EUV utilizam um sistema composto por espelhos multicamadas de ultraprecisão Esses espelhos guiam e focalizam o feixe da fonte até o wafer. Eles são compostos por dezenas de camadas alternadas de diferentes materiais depositadas com precisão atômica, permitindo que reflitam a radiação EUV com a maior eficiência possível dentro dos limites da física.

No entanto, mesmo com essas soluções sofisticadas, cada espelho absorve uma parte significativa da luz que recebe. Os sistemas atuais da ASML utilizam pelo menos dois espelhos condensadores e seis espelhos de projeção, e juntos, Aproximadamente 96% da luz emitida se perde.Isso exige que a fonte EUV seja extraordinariamente brilhante para que, após todas as reflexões, energia suficiente atinja o wafer.

As máscaras também são diferentes: em vez de serem placas transparentes com áreas opacas, as EUVs usam máscaras refletorasEsses espelhos também são multicamadas, com padrões gravados em relevo e revestimentos que modulam a reflexão. Qualquer defeito na máscara ou nos espelhos resulta imediatamente em erros de impressão e, portanto, em wafers defeituosos.

O que torna as máquinas EUV da ASML tão especiais?

As máquinas de fotolitografia EUV fabricadas pela empresa holandesa ASML são, literalmente, algumas das máquinas mais complexas já construídasUma única unidade EUV de primeira geração integra mais de 100.000 peças, cerca de 3.000 cabos, 40.000 parafusos e aproximadamente dois quilômetros de fiação elétrica interna. E tudo isso é perfeitamente coordenado por um software de controle extremamente sofisticado.

Esse nível de complexidade torna o equipamento gigantesco: cada máquina ocupa um espaço semelhante ao de um ônibus urbano Além disso, requer múltiplos módulos auxiliares, sistemas de refrigeração, equipamentos de vácuo e eletrônica de precisão. Ademais, não são enviados totalmente montados; são transportados em centenas de caixas e montados e calibrados nas instalações do cliente.

Grande parte do sucesso da ASML reside em sua rede de parceiros tecnológicos. Aproximadamente 90% dos componentes dessas máquinas são provenientes de outros fabricantes. distribuídas por todo o mundo. Entre elas, destacam-se duas marcas principais: Cymer e ZEISS, ambas absolutamente essenciais para o funcionamento adequado da litografia EUV.

A contribuição da ZEISS: óptica nos limites da física.

O outro parceiro fundamental é a ZEISS, a histórica empresa alemã de óptica de alta precisão. A ZEISS projeta e fabrica os componentes ópticos reflexivos de equipamentos EUV da ASML, desde os espelhos de coleta iniciais até a complexa óptica de projeção que transfere o padrão para o silício.

Esses espelhos devem funcionar com um comprimento de onda de 13,5 nm, mantendo uniformidade e precisão. da forma de onda extrema. A planicidade da superfície é tal que, se um espelho fosse ampliado ao tamanho de um país, as irregularidades seriam menores que a altura de uma folha de grama. Qualquer desvio minimamente perceptível arruinaria o padrão e tornaria o wafer inutilizável.

Além de espelhos, a ZEISS está envolvida no desenvolvimento de... sensores e atuadores que corrigem em tempo real O sistema detecta pequenas deformações, deslocamentos ou vibrações que podem ocorrer durante a operação. Ele também fornece um software que monitora continuamente o comportamento do sistema óptico e garante que ele permaneça dentro de tolerâncias excepcionalmente rigorosas.

EUV de alta NA: a nova geração que rompe a barreira dos 3 nm

Após vários anos consolidando a primeira geração de equipamentos EUV, a ASML deu o próximo passo com suas máquinas de alta abertura numérica, conhecida como EUV de alta NAO modelo comercial mais representativo é o Twinscan EXE:5200, considerado atualmente o equipamento de litografia mais avançado do mundo.

A chave para esses novos sistemas reside no aumento da abertura numérica do sistema óptico: ela passa de NA = 0,33 nos equipamentos EUV atuais para NA = 0,55 no grupo de alta NAEm termos gerais, isso permite imprimir detalhes ainda mais finos no mesmo comprimento de onda de 13,5 nm, melhorando a resolução dos padrões transferidos para o wafer.

Graças a essa melhoria, os equipamentos EUV de alta NA abrem as portas para a fabricação de circuitos integrados. além do limite comercial de 3 nmpermitindo nós em torno de 2 nm e até mesmo a tecnologia 18A (1,8 nm) que a Intel planeja usar. Além disso, a ASML otimizou os sistemas mecânicos e de manuseio de wafers para que uma única máquina de alta NA possa processar mais de 200 wafers por hora, o que é fundamental para manter um custo competitivo por chip.

Estima-se que o preço de uma máquina High-NA seja em torno de US$ 300 milhões por unidadeIsso representa aproximadamente o dobro do preço de uma lâmpada EUV de primeira geração, que custa cerca de 150 milhões. Mesmo assim, para os fabricantes que desejam se manter na vanguarda, é praticamente um investimento indispensável.

Um monopólio tecnológico com enorme impacto geopolítico

No mercado de litografia EUV, há um fato inegável: A ASML é a única fabricante capaz de produzir essas máquinas. em escala industrial. Esse monopólio se traduz em uma posição de poder sem precedentes dentro da cadeia de valor dos semicondutores.

Gigantes como TSMC, Samsung e Intel dependem dos equipamentos EUV da ASML para produzir seus chips mais avançados. Aproximadamente um quarto da renda A receita da ASML já provém diretamente da venda de sistemas EUV, sem incluir contratos de serviço, atualizações, treinamento e manutenção.

Este domínio tecnológico também possui um dimensão geopolítica claraAs tensões entre os Estados Unidos e a China colocaram a litografia EUV no centro do debate. Washington pressionou a Holanda para que limitasse a exportação de suas máquinas mais avançadas para a China, visando restringir o acesso do país asiático a nós de última geração. Enquanto isso, fabricantes japoneses como a Canon estão explorando alternativas como a litografia por nanoimpressão (NIL), teoricamente capaz de produzir nós de 2 nm, mas, por ora, a EUV permanece o padrão de fato na vanguarda tecnológica.

Por que a litografia EUV é tão importante para os chips de hoje?

A relevância da litografia EUV é melhor compreendida ao observarmos os dispositivos que usamos diariamente. Muitos deles... smartphones, smartwatches, consoles de videogame e computadores mais recentes, ambos em seus projeto de chip Assim como em sua fabricação, eles utilizam CPUs, GPUs, SoCs e memórias fabricadas com nós de 7nm, 5nm ou inferiores, onde a litografia EUV já é essencial para certas camadas do processo.

A Samsung, por exemplo, anunciou o uso da tecnologia EUV para fabricar seus produtos. Chips de 7nm chamados 7LPPEssas tecnologias serão fundamentais para viabilizar redes 5G de alta capacidade, aplicações avançadas de inteligência artificial, a Internet das Coisas e sistemas de direção autônoma. Segundo a empresa, a transição para a EUV permite uma redução de até 50% no consumo de energia, um aumento de 20% no desempenho e uma redução de aproximadamente 40% na área ocupada em comparação com as tecnologias anteriores baseadas em ArF com múltiplos padrões.

Empresas como a Apple, a Huawei e outras grandes fabricantes de chips também dependem deles. Fundições que utilizam EUV Para poder oferecer dispositivos mais rápidos e eficientes. E não se trata apenas de potência bruta: reduzir o consumo de energia e o calor é crucial para que celulares, laptops e servidores tenham um desempenho melhor dentro de limites térmicos razoáveis.

Principais vantagens da litografia EUV em comparação com a litografia DUV

A primeira grande vantagem da litografia EUV é a possibilidade de imprimir características muito menoresCom um comprimento de onda tão curto e uma abertura numérica adequada, é possível fabricar estruturas que, para o mesmo tamanho de chip, multiplicam várias vezes o número de transistores disponíveis em comparação com as tecnologias anteriores.

Isso se traduz em batatas fritas com maior capacidade de processamento, memória mais integrada E, acima de tudo, um consumo de energia significativamente menor por operação. Para centros de dados, redes de comunicação ou aplicações de IA em larga escala, essa melhoria na eficiência energética tem um impacto drástico nos custos operacionais.

A segunda vantagem está relacionada ao processo: a EUV permite reduzir o número de etapas litográficas necessárias Para obter o mesmo padrão, enquanto os métodos ArF e de múltiplos padrões podem exigir três ou quatro exposições diferentes para alcançar uma estrutura complexa, a EUV geralmente requer apenas uma. Isso simplifica o fluxo de fabricação, melhora o rendimento e pode reduzir o custo por chip a médio prazo.

Além disso, ao permitir a concentração de mais funcionalidades em uma área de superfície menor, abre-se caminho para arquiteturas de sistema em chip cada vez mais integradas, com blocos de CPU, GPU, aceleradores de IA, memória e lógica específica coexistindo na mesma peça de silício — algo viável apenas quando um densidade de integração muito alta.

As desvantagens e limitações atuais da EUV

O principal obstáculo à litografia EUV é, sem dúvida, o custo astronômico das máquinas e a infraestrutura que eles exigem. Não estamos falando apenas de equipamentos que facilmente ultrapassam cem milhões de dólares por unidade, mas também de fábricas inteiras projetadas em torno deles, com salas limpas avançadas, fontes de alimentação muito potentes e sistemas de suporte extremamente complexos.

Isso significa que apenas algumas fundições e fabricantes integrados de dispositivos (IDMs) de primeira linha — TSMC, Samsung, Intel e algumas outras — podem se dar ao luxo de implantar a litografia EUV em larga escala. Grande parte do restante da indústria continua a usar a litografia DUV, que é mais acessível e perfeitamente adequada para o propósito a que se destina. chips menos avançados como as utilizadas em automóveis, eletrônicos de consumo básicos e muitos sistemas industriais.

Além disso, a tecnologia ainda arrasta desafios técnicos Entre os fatores importantes, incluem-se: a potência das fontes de luz, a vida útil dos revestimentos ópticos contra radiação de alta energia, a complexidade das máscaras refletoras e a necessidade de manter alta produtividade sem causar defeitos nos wafers — questões que continuam a ser aprimoradas geração após geração.

ASML, Intel, Samsung e TSMC: uma cadeia de interdependências

A colaboração entre a ASML e os principais fabricantes de chips não se limita a uma relação cliente-fornecedor. A Intel, por exemplo, investiu em cerca de US$ 4.000 bilhões em investimentos na ASML em 2012 Apoiar o desenvolvimento das primeiras máquinas EUV, garantir o acesso prioritário à tecnologia e participar ativamente no seu desenvolvimento.

A ASML está atualmente entregando seus primeiros sistemas EUV de alta NA para clientes estratégicos. O primeiro sistema Twinscan EXE:5200 foi entregue a uma fábrica da Intel em Hillsboro, Califórnia, uma iniciativa que está alinhada com o plano da empresa de alcançar o nó 18A (1,8 nm) na segunda metade da década. reduzir a diferença para a TSMC e a Samsung na corrida pela liderança tecnológica.

Enquanto isso, a Samsung e a TSMC disputam tanto a capacidade de produção de EUV disponível quanto a prioridade nos embarques da ASML. Atrasos nas exportações — agravados pela pandemia de COVID-19 — ocasionalmente forçaram a produção a interromper o processo. reajustar roteiros, adiar a produção piloto de nós como o de 3nm e reorganizar a alocação de wafers entre clientes de alto valor, como Apple, Qualcomm ou grandes fabricantes de automóveis.

Todo esse ecossistema significa que a disponibilidade de sistemas EUV, a taxa de entrega da ASML e a adaptabilidade da Cymer, da ZEISS e de outros fornecedores se tornaram fatores decisivos para a definição do mercado. Quais empresas e quais países estão ditando o ritmo? na indústria de semicondutores de próxima geração.

A fotolitografia ultravioleta extrema se consolidou como a chave para manter a Lei de Moore em vigor, permitindo a fabricação de chips de 7, 5 e 3 nm, e aventurando-se em 2 nm e abaixo, mas também como um recurso escasso e extremamente caro, controlado por um pequeno grupo de empresas. Compreender sua física, seus desafios e seu mercado nos ajuda a entender por que nosso celular, nosso carro ou a nuvem que usamos diariamente dependem, na verdade, de algumas máquinas gigantescas espalhadas pelo mundo e da disponibilidade de recursos. A capacidade da ASML e de seus parceiros de continuarem a expandir os limites da tecnologia EUV..

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Alberto Navarro

Sou um entusiasta da tecnologia que transformou seus interesses “geek” em profissão. Passei mais de 10 anos da minha vida usando tecnologia de ponta e mexendo em todos os tipos de programas por pura curiosidade. Agora me especializei em informática e videogames. Isto porque há mais de 5 anos escrevo para diversos sites sobre tecnologia e videojogos, criando artigos que procuram dar-lhe a informação que necessita numa linguagem compreensível para todos.

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