Intel, Samsung Foundry e TSMC utilizam as máquinas de litografia EUV da ASML, que são capazes de ‘imprimir’ semicondutores com uma resolução de 13nm, para construir chips em seus mais recentes nós de fabricação. No entanto, usar uma fonte de luz EUV de plasma produzido por laser (LPP) (que é um laser de CO2 aplicado a pequenas gotas de estanho) não é a única maneira de gerar radiação EUV de 13,5 nm para ‘imprimir’ chips. Pesquisadores no Japão estão explorando o uso de lasers de elétrons livres (FELs) de aceleradores de partículas para fabricar chips com tamanhos de características de ponta, relata Spectrum.IEEE.org.
O High Energy Accelerator Research Organization (KEK), em Tsukuba, Japão, está explorando o uso de lasers de elétrons livres (FELs) gerados por um acelerador linear de recuperação de energia (ERL) para fabricação de chips. Eles afirmam que um acelerador linear de recuperação de energia poderia produzir dezenas de quilowatts de potência EUV de forma econômica para alimentar múltiplas máquinas de litografia simultaneamente. Em contraste, a ASML produziu uma fonte de luz EUV de 500W para seu Twinscan NXE:5800E e está buscando potencialmente melhorar a potência de suas fontes de luz EUV para 1000W — eventualmente.
O ERL funciona de maneira completamente diferente de uma ferramenta de litografia EUV. Primeiro, uma pistola de elétrons injeta elétrons em um tubo resfriado criogenicamente, onde cavidades de RF supercondutoras os aceleram. Os elétrons passam por um ondulador, emitindo luz que é amplificada através de um processo chamado emissão espontânea auto-amplificada (SASE). Após emitir luz, os elétrons gastos retornam ao acelerador de RF na fase oposta, transferindo sua energia restante para novos elétrons injetados antes de serem descartados em um depósito de feixe. Essa recuperação de energia permite que o ERL use a mesma quantidade de eletricidade para acelerar mais elétrons, tornando-o um método altamente eficiente e econômico para gerar luz EUV de potência extrema.
“A potência extrema do feixe FEL, sua largura espectral estreita e outras características o tornam adequado como uma aplicação para litografia futura”, disse Norio Nakamura, pesquisador em fontes de luz avançadas no KEK, em entrevista ao Spectrum.IEEE.org.
Em 2021, antes do início da severa inflação global, a equipe do KEK estimou o custo de construção de um novo sistema ERL em $260 milhões, que é $50 milhões – $60 milhões mais alto do que o preço de um Twinscan NXE:3800E — embora este último seja uma ferramenta totalmente integrada, enquanto o primeiro é essencialmente apenas uma fonte de luz. Este sistema entregaria 10 kW de potência EUV, forneceria múltiplas máquinas de litografia (o KEK não especifica quantas) e seus custos operacionais anuais foram projetados para ser em torno de $25.675 milhões.
“Os custos estimados por ferramenta de exposição em nossa configuração permanecem relativamente baixos em comparação com os custos estimados para a fonte de plasma produzido por laser de hoje”, disse Nakamura ao Spectrum.IEEE.org.
Existem alguns problemas leves com FELs e ERLs. Primeiro, como qualquer acelerador de partículas, um acelerador linear de recuperação de energia é enorme. Em segundo lugar, é necessário um conjunto extremamente complexo de espelhos para guiar aqueles 10 kW de radiação EUV para múltiplas ferramentas de litografia sem perda significativa de potência, e esse conjunto ainda não foi inventado (e seus custos são incertos).
Finalmente, assumindo que há um conjunto complexo de espelhos que pode guiar 10 kW de radiação EUV para 10 ferramentas de litografia, não existem resistores e películas compatíveis com uma fonte de luz tão poderosa. Isso não será um problema, no entanto, porque por enquanto um ERL experimental pode produzir pulsos de luz infravermelha de 20 micrômetros — o que está muito longe da luz EUV de 13,5 nm.
Nakamura reconheceu que inúmeros desafios técnicos devem ser resolvidos antes que uma ferramenta de litografia baseada em ERL possa alcançar os altos níveis de desempenho e estabilidade operacional necessários para a fabricação comercial de chips.
Fonte: Spectrum.IEEE.org
