O futuro dos chips semicondutores: a litografia por nanoimpressão é a próxima grande revolução?

Têm, durante décadas, ficado mais pequenos e mais poderosos, mas chegarão os chips de computador ao seu limite em breve? Ou é a litografia por nanoimpressão a resposta para o futuro deles?

O nosso mundo está tornar-se cada vez mais intensivo em termos de computadores. Smartphones, computadores portáteis, sistemas eletrónicos domésticos e automóveis. É difícil pensar numa parte do nosso dia a dia que não inclua chips semicondutores.

Estão por trás da maioria dos aspetos das nossas vidas e são lançados ciclicamente em versões ainda mais avançadas. Mas, do ponto de vista da produção, manter os custos reduzidos ao mesmo tempo que se diminui o tamanho e se aumenta a potência não é uma tarefa fácil.

Com base na teoria que segue e prevê a sua evolução, a chamada Lei de Moore, as melhorias na velocidade e na capacidade devem acontecer aproximadamente de dois em dois anos e devem afetar apenas minimamente o preço.

Mas, à medida que isso se torna cada vez mais desafiante, como é que se pode garantir este equilíbrio delicado para os próximos anos?

Consideramos que a litografia por nanoimpressão (NIL) será fundamental para o conseguir. Eis os motivos.

O que significa litografia por nanoimpressão, exatamente?

"A litografia por nanoimpressão é habitualmente conhecida como uma 'técnica de litografia avançada'", explica Chris Howells, Diretor de Operações Europeias no Departamento de Equipamentos Semicondutores da Canon. "E a nossa versão própria deIa está baseada na nossa experiência em tecnologia de jato de tinta."

De facto, a Canon apoia fabricantes de semicondutores de todo o mundo há cerca de cinquenta anos, fornecendo-lhes equipamento topo de gama para litografia de semicondutores. Este é o processo utilizado para imprimir os padrões pequenos e altamente definidos que vê nos chips de computador. Envolve a aplicação de luz ou radiação para transferir um padrão para uma bolacha revestida com um líquido viscoso denominado de fotorresistente.

Neste contexto, a NIL parece ser o próximo passo natural, sendo capaz de combinar as décadas de conhecimentos extremamente especializados de impressão da Canon com a fotónica (a ciência da luz).

Mas o que faz? E porque é diferente de todos outro tipos de litografia?

Encolher o futuro

O processo de produção da litografia por nanoimpressão é bastante diferente da litografia tradicional de semicondutores, em parte devido ao design complexo.

Em primeiro lugar, em vez de imprimir um padrão numa bolacha que está completamente revestida com fotorresistente, a NIL liberta gotas do líquido apenas onde é necessário. Utilizando a mesma tecnologia que pode ser encontrada nas impressoras a jato de tinta da Canon, todas as gotas são medidas, controladas e distribuídas com precisão.

Em seguida, um carimbo especialmente fabricado, denominado de "máscara", pressiona o padrão pretendido no líquido. Isto pode parecer simples, mas lembre-se de que estamos a falar de uma escala minúscula que requer uma precisão absoluta. Algo tão simples como o ar que fica preso entre a máscara e a bolacha de silicone pode estragar completamente o processo, pelo que os programadores e os designers das máquinas enfrentaram o grande desafio de conseguir evitar quaisquer elementos externos.

Inevitavelmente, vai ser necessária mais do que uma máscara durante a vida útil de um sistema de NIL. São criadas utilizando uma máquina que também é fabricada pela Canon. "Essencialmente, as duas máquinas combinadas criam um processo interno para a tecnologia de nanoimpressão", explica Chris.

A última parte do processo é a remoção da máscara, deixando pequenas estruturas que são depois curadas com luz UV. Estes padrões geométricos complexos e com aspeto bonito são invisíveis a olho nu, porque que o seu tamanho é de apenas alguns "nanómetros", daí o nome.

Para contextualizar isto, um nanómetro é um bilionésimo de um metro e um cabelo humano mede cerca de 100 000 nanómetros de diâmetro. "Quanto mais pequeno for o «tamanho dos componentes» [as pequenas estruturas físicas] no chip de silicone, mais rápido será o dispositivo que o utiliza", explica Chris.

"Os telemóveis e o seu computador ficam mais rápidos. Quanto mais avançado for o seu equipamento de litografia para a impressão de tamanhos dos componentes mais pequenos no chip, melhor será o desempenho desse chip."

Mais precisa, económica e melhor para o ambiente

Não há dúvida de que um processo tão grande e complexo exige investimento significativo por parte dos fabricantes de chips, mas consideramos que é uma estratégia sensata a longo prazo. Como prova do nosso compromisso, estamos atualmente a planear a construção de uma nova fábrica de equipamentos semicondutores no Japão. Isto duplicará a nossa capacidade atual e permitir-nos-á produzir o maior número de equipamentos de litografia que já produzimos.

"O custo total de propriedade mostra que esta é uma tecnologia em que vale a pena investir", explica Chris. "Em termos de custos de funcionamento, produtividade e também longevidade."

Os custos, naturalmente, surgem de muitas formas. Por isso, do ponto de vista da máquina, a NIL como processo irá oferecer uma excelente relação qualidade/preço aos fabricantes, não apenas no investimento inicial, mas devido à forma como a tecnologia funciona.

Por exemplo, quando comparada com a alternativa mais próxima ("Litografia ultravioleta extrema" ou EUV) ou até com a litografia tradicional de semicondutores, tanto o consumo de energia como o desperdício são substancialmente inferiores. A natureza precisa do processo significa que há pouco excesso de material para ser eliminado, o que também reduz acentuadamente a utilização de produtos químicos. Ambos podem também causar impactos ambientais enormes, além dos custos.

Em conjunto, estamos a analisar o tipo de progresso que não só irá garantir o legado da Lei de Moore, em termos de velocidade e potência do processador, como também acrescenta um aspeto sustentável novo e crucial ao fabrico de chips semicondutores.

Conheça a equipa por trás do desenvolvimento do Sistema de litografia por nanoimpressão da Canon.