A Two-Mirror Faceted Projection System for EUV Lithography

O mundo moderno funciona com base em minúsculos chips de silício, os motores invisíveis dentro de tudo, desde smartphones até os sistemas que guiam o tráfego global da internet. Para tornar esses chips mais rápidos e potentes, os engenheiros devem encolher os transistores que os alimentam, compactando bilhões deles em um único grão de areia. Esse processo de miniaturização baseia-se numa técnica chamada litografia, que atua como uma câmera de alta precisão, projetando um padrão de um modelo mestre sobre uma oblea de silício para esculpir a circuiteria. Quanto menores forem as características que a câmera consegue imprimir, menores poderão ser os transistores. Durante décadas, a indústria tem forçado os limites da luz, passando da luz visível para o ultravioleta e, finalmente, para a luz ultravioleta extrema, um comprimento de onda tão curto que é medido em nanômetros. No entanto, à medida que a procura por características ainda menores cresce, as ferramentas tradicionais utilizadas para imprimir estes padrões estão a atingir um limite. Os espelhos necessários para focar esta luz são tão complexos e numerosos que absorvem a maior parte da energia, tornando o processo ineficiente e incrivelmente caro.

Uma equipa de investigadores da Universidade de Nizhny Novgorod, na Rússia, propôs uma forma radicalmente diferente de resolver este problema. Em vez de utilizar uma longa cadeia de espelhos curvos para focar a luz, eles desenharam um sistema que utiliza apenas duas superfícies planas, cada uma coberta por milhares de pequenas placas planas. Nas suas simulações, este novo arranjo projetou com sucesso um padrão sobre uma oblea de silício com um nível de detalhe que as máquinas atuais têm dificuldade em alcançar, mantendo a luz muito mais brilhante. Os investigadores não construíram uma máquina física para este estudo; em vez disso, utilizaram modelos computacionais poderosos para provar que a ideia funciona na teoria. O seu trabalho sugere um caminho para a impressão de características menores do que seis nanómetros, um tamanho que seria impossível com a geração atual de equipamentos.

O cerne do problema reside em como a luz se comporta quando é extremamente curta. Para imprimir padrões minúsculos, a luz deve ser focada com extrema precisão, o que normalmente requer uma série de seis a dez espelhos curvos. Cada vez que a luz ricocheteia num espelho, uma parte significativa da sua energia é absorvida ou perdida. Quando a luz chega à oblea de silício, resta menos de quinze por cento da potência original. Esta perda obriga as máquinas a utilizar quantidades massivas de eletricidade para gerar luz suficiente, elevando os custos e limitando o quão pequenas podem ser as características. Os investigadores fizeram uma pergunta simples: poderiam alcançar o mesmo resultado com muito menos reflexões? A resposta foi abandonar a ideia de uma superfície de espelho única e contínua em favor de uma abordagem "facetada".

Imagine um espelho não como uma única folha de vidro, mas como um mosaico feito de milhares de pequenas placas planas. No sistema proposto pelos investigadores, a luz dispersa pela máscara é dividida em muitos feixes distintos, cada um transportando uma peça específica do padrão. Em vez de tentar dobrar todos estes feixes com uma única superfície curva, o sistema atribui a cada feixe o seu próprio par dedicado de placas planas. O primeiro conjunto de placas captura o feixe e o envia diretamente para baixo, enquanto o segundo conjunto o captura novamente e o direciona precisamente para a oblea. Como a luz ricocheteia apenas duas vezes, o sistema retém cerca de metade da potência da luz, uma melhoria massiva em relação à tecnologia atual. Esta eficiência é crucial porque significa que a máquina poderia potencialmente imprimir características muito menores sem precisar de uma fonte de luz impossivelmente poderosa.

A geometria deste sistema é intrincada. Os investigadores tiveram de calcular o ângulo e a posição exatos para cada uma das milhares de placas para garantir que todos os diferentes feixes chegassem à oblea ao mesmo tempo e com o foco correto. Se o tempo estivesse errado, o padrão ficaria desfocado. Eles desenharam o sistema de modo a que a distância percorrida por cada feixe fosse idêntica, independentemente de qual placa ele atingisse. Isto garante que as ondas de luz se reforcem mutuamente para criar uma imagem nítida. Também tiveram de considerar o facto de a luz atingir as placas em ângulos diferentes. Para lidar com isso, desenharam um revestimento especial para cada placa, feito de camadas alternadas de diferentes metais. Estas camadas atuam como um filtro, refletindo a cor específica de luz necessária para aquela placa em particular, enquanto absorvem o resto. Ao personalizar o revestimento para cada uma das placas, garantiram que o sistema funcionasse eficientemente em toda a gama de ângulos exigida.

A equipa testou o seu design utilizando dois tipos diferentes de comprimentos de onda de luz, um a 13,5 nanómetros e outro a 11,2 nanómetros. Simularam a impressão de padrões que incluíam linhas tão finas quanto seis nanómetros e picos isolados com uma largura de cerca de 5,4 nanómetros. Nos modelos computacionais, estas características minúsculas permaneceram nítidas e distintas mesmo quando o foco estava ligeiramente desviado, um sinal de que o sistema é robusto. As simulações mostraram que o sistema poderia alcançar uma abertura numérica, uma medida de quanta detalhe a lente consegue capturar, de quase 1,0. Este é um valor que é teoricamente possível, mas que nunca foi alcançado numa máquina prática, uma vez que os designs atuais estão limitados a cerca de 0,55.

Embora os resultados sejam promissores, os investigadores fazem questão de notar que este é um avanço teórico. O sistema baseia-se num padrão bidimensional, e estenderlo para as formas tridimensionais complexas encontradas nos chips de computador reais apresenta novos desafios. Além disso, o enorme número de placas — mais de duas mil na versão 3D — significa que a fabricação e o alinhamento destas seria uma tarefa de engenharia monumental. Os investigadores reconhecem que construir tal máquina exigiria resolver problemas relacionados com o posicionamento preciso de cada placa e a estabilidade dos revestimentos. No entanto, o seu trabalho prova que a física fundamental permite um sistema com apenas duas reflexões, um conceito que poderá eventualmente levar a uma nova geração de ferramentas de litografia.

As implicações deste trabalho estendem-se para além da criação de chips menores. Ao demonstrar que um sistema com menos espelhos pode alcançar uma resolução mais elevada, os investigadores abriram a porta para uma forma diferente de pensar sobre o design ótico. A abordagem tradicional tem sido adicionar mais espelhos para corrigir erros, mas este novo método sugere que a solução pode ser simplificar o próprio caminho da luz. A capacidade de reter mais energia luminosa significa que as máquinas futuras poderão ser mais eficientes e potencialmente menos dispendiosas de operar. Embora o caminho de uma simulação computacional até a uma máquina de fábrica funcional seja longo e repleto de obstáculos, este estudo fornece um mapa claro de um caminho que anteriormente era considerado bloqueado. Mostra que, com engenhosidade suficiente, as leis da física podem ser moldadas para nos permitir ver e construir coisas numa escala que outrora era considerada impossível.