Litografia sem máscara: um divisor de águas para fabricantes de chips

Litografia, o núcleo da fabricação de semicondutores

Produzir semicondutores tornou‑se uma das atividades industriais mais lucrativas e estratégicas do século 21^st, com empresas como Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), ou TSMC (TSM ) (clique nos links para um relatório dedicado sobre cada uma dessas empresas) alcançando capitalização de mercado em bilhões, se não vários trilhões de dólares.

Quase todas utilizam um processo chamado fotolitografia. Como o nome indica, ele usa feixes de luz muito poderosos para gravar wafers de silício e transformá‑los em chips de computador e outros componentes semicondutores.

Isso requer máquinas muito especializadas com inúmeras lentes ultra‑precisas, motores e um sistema chamado “fotomáscara”.

Fonte: CopperPod IP

Fotomáscaras são feitas de substratos de quartzo ou vidro revestidos com um filme opaco no qual o padrão do dispositivo a ser fabricado é gravado. Esse filme é essencialmente o molde para os chips que serão gravados no wafer de silício, embora seja miniaturizado a uma escala muito menor durante o processo de gravação.

A maioria dos chips é fabricada usando máquinas de litografia DUV (Deep Ultra‑Violet), que utilizam feixes UV poderosos para gravar o silício. Chips mais avançados usam EUV (Extreme Ultra‑Violet), que emprega luz UV ainda mais potente. Por enquanto, o fabricante de semicondutores ASML (ASML ) tem monopólio sobre EUV.

Ambas as máquinas DUV e EUV são grandes, caras e consomem muita energia.

Outra opção está surgindo com a litografia sem máscara. Essa tecnologia pode ter dado um salto gigante graças aos primeiros chips de microLED deep‑UV inventados por pesquisadores chineses.

Trabalhando na Hong Kong University of Science and Technology e na Southern University of Science and Technology em Shenzhen, eles publicaram seus resultados na Nature Photonics sob o título “Displays de microdiodos emissores de luz AlGaN deep‑ultraviolet de alta potência para litografia fotográfica sem máscara¹”.

Litografia sem máscara

O ponto principal de usar fotomáscaras para litografia é que isso permite que a máquina DUV use muita luz e, em seguida, concentre parte dela no processo de gravação. Isso, porém, levou a baixa eficiência luminosa, densidade de potência óptica insuficiente e, finalmente, baixa eficiência e alto consumo de energia.

Uma alternativa poderia ser usar uma fonte de luz UV mais precisa, como diodos emissores de luz micro‑LED deep‑ultraviolet (UVC) de nitreto de alumínio e gálio. No entanto, desenvolver LEDs UVC com potência de saída suficiente tem sido um problema até agora.

Isso significa que a litografia sem máscara tem sido usada apenas para substratos de baixa resolução, como placas de circuito impresso, em vez de wafers de silício de qualidade para chips.

A litografia fotográfica sem máscara reduziria drasticamente o custo da fabricação de semicondutores e ofereceria mais opções de personalização. No geral, essa tecnologia tornaria qualquer coisa eletrônica mais barata e mais fácil de fabricar.

LEDs UVC melhores

Um fator chave no desempenho inferior dos micro‑LEDs UVC é que lacunas de alinhamento substanciais durante os processos de fabricação das sub‑unidades do LED causam problemas ao tentar construir displays de micro‑LED UVC de grande formato. Não apenas um LED específico pode não ser uniforme internamente, mas LEDs diferentes fabricados ao mesmo tempo apresentarão características distintas.

Fonte: Nature Photonics

Os pesquisadores aprimoraram o método de fabricação para construir com sucesso um array uniforme de micro‑LED UVC 160 × 90. Esse array apresenta um tamanho de pixel de 6 µm e um passo de 10 µm.

Fonte: Nature Photonics

Tornando os LEDs UVC úteis

Os LEDs aprimorados foram então integrados a placas de circuito para gerar e projetar padrões digitais UV.

Os sistemas resultantes podem exibir quaisquer padrões e desenhos complexos em luz UVC intensa.

Fonte: Nature Photonics

Devido ao pequeno tamanho dos LEDs, não há necessidade das lentes de desmagnificação complexas usadas na litografia fotográfica com fotomáscaras.

Após uma exposição de 5 segundos, uma estrutura escrita por espelho se desenvolve na superfície do wafer. Isso poderia gravar padrões em tamanhos que variam de 3 µm a 100 µm (micrômetros).

Fonte: Nature Photonics

Este chip de display de microLED deep‑UV integra a fonte de luz ultravioleta com o padrão na máscara. Ele fornece dose de irradiação suficiente para a exposição de fotorresistência em curto tempo, criando um novo caminho para a fabricação de semicondutores.

Pr. KWOK Hoi‑Sing – Diretor fundador do Laboratório Estatal de Tecnologia Avançada de Displays e Optoeletrônica da HKUST

Progresso adicional

LEDs UVC ainda melhores

A equipe de pesquisa responsável por essa conquista acredita que pode impulsionar ainda mais o desempenho de seus micro‑LEDs a partir do protótipo 320 × 140.

Eles veem um caminho para desenvolver telas de display microLED deep‑ultraviolet de alta resolução 1k, 2k ou até 8k, que gravariam padrões no silício com ainda mais precisão.

“Em comparação com outros trabalhos representativos, nossa inovação apresenta tamanho de dispositivo menor, tensão de condução mais baixa, eficiência quântica externa maior, densidade de potência óptica maior, tamanho de array maior e resolução de display superior.”

Dr. FENG Feng – Bolsista de pós‑doutorado na HKUST

Sistemas de suporte extra

Embora os micro‑LEDs UVC não exijam a mesma variedade de lentes que a litografia clássica com fotomáscaras, a resolução dos pesquisadores ainda não é suficiente.

Portanto, sistemas de lentes e focalização relacionados, além do escopo da expertise desses pesquisadores em fabricação de LEDs, poderiam melhorar significativamente a litografia fotográfica sem máscara. Contudo, isso não deveria ser uma grande dificuldade técnica para a indústria de semicondutores, pois essas tecnologias são conhecidas e comumente usadas.

Assim, empresas que já produzem máquinas DUV poderiam facilmente criar um novo design usando microLEDs UVC sem máscara e lentes de focalização em vez do design tradicional que requer fotomáscaras caras.

Investindo em litografia de semicondutores

À medida que a litografia sem máscara se torna uma parte cada vez mais comum da indústria de semicondutores, essa mudança tecnológica provavelmente resultará em alguns vencedores e alguns perdedores.

Empresas especializadas na produção de fotomáscaras, como Photronics, Inc. (PLAB ), provavelmente sofrerão.

Por outro lado, empresas que produzem máquinas de litografia DUV se beneficiariam de um novo design sem máscara. Ao eliminar um consumível caro, toda a operação de litografia se tornaria mais barata. Semicondutores mais baratos aumentariam o volume de vendas, elevando a demanda por máquinas DUV.

Você pode investir em empresas relacionadas a semicondutores através de muitas corretoras, e pode encontrar aqui, em securities.io, nossas recomendações para as melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Ou, se preferir uma abordagem mais diversificada, pode investir em ETFs relacionados a semicondutores como o iShares Semiconductor ETF (SOXX), o VanEck Semiconductor ETF (SMH), ou o Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Você também pode aprender mais sobre a cadeia de suprimentos de equipamentos de fabricação de semicondutores e as principais empresas em “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Empresa de litografia de semicondutores

Visão geral da ASML

O maior fornecedor mundial de equipamentos para semicondutores por capitalização de mercado, a holandesa ASML também lidera o campo, com um quase monopólio sobre uma tecnologia chave chamada litografia EUV (Extreme UltraViolet).

EUV permite nós ultra‑pequenos, até 7 nm, ou até 5 nm e 3 nm. Esses níveis avançados de nós são frequentemente considerados necessários para aplicações como IA, aprendizado de máquina, 5G, AR/VR e serviços avançados de nuvem.

EUV está atualmente no centro das tensões e guerras comerciais China‑EUA. No verão de 2022, os EUA proibiram a exportação de máquinas EUV para a China. Isso foi seguido por esforços da Huawei para desenvolver suas próprias soluções EUV, com uma patente depositada em dezembro de 2022.

Ao ter um monopólio de fato sobre EUV fora da China, a ASML é um fabricante de equipamentos de chips muito proeminente, status intensificado pela pressão dos EUA para restringir a exportação da tecnologia ao seu principal rival. Como resultado, a ASML é um fornecedor crucial para todos os fabricantes de chips que buscam construir os chips mais avançados.

EUV é o sucessor da tecnologia anterior, também vendida pela ASML, a litografia DUV (Deep UltraViolet).

Fonte: ASML

Os sistemas EUV representam apenas uma fração das máquinas vendidas, mas a um preço muito mais alto, constituindo grande parte das receitas e lucros. Ainda assim, os sistemas DUV (ArFi, ArF e KrF) representam a maioria das vendas da empresa (61%).

Fonte: ASML

A ASML não é a única fabricante de máquinas DUV, havendo concorrentes como Canon ou Nikon, mas é de longe a empresa mais “focada”, enquanto seus concorrentes japoneses são conglomerados com múltiplas outras atividades.

Máquinas DUV e China

A competição chinesa está crescendo no segmento DUV, devido ao impulso do governo chinês por fornecedores domésticos de equipamentos para semicondutores.

Considerando que os micro‑LEDs UVC aprimorados, a mais recente inovação para tornar o DUV sem máscara mais realista, vieram de pesquisadores de Hong Kong e Shenzhen, isso é algo que os investidores devem levar em conta, especialmente porque a China representa 47 % das receitas da ASML.

As exportações de máquinas DUV para a China também foram submetidas a sanções dos EUA, mas essas encontraram forte resistência do governo holandês, coreano e até taiwanês.

Amsterdã determinou que, a partir de agora, a ASML obterá a licença necessária para exportar suas máquinas DUV a membros sob a Lista de Entidades do Bureau of Industry Standards dos EUA a partir do governo holandês, em vez do governo dos EUA.

Isso essencialmente significa que os controles de exportação mandatados pelos EUA ficarão sob a jurisdição de administradores nos Países Baixos, em vez dos Estados Unidos.

The Diplomat

Conclusão sobre a ASML

Ainda assim, apesar dos potenciais riscos relacionados à China, a ASML é a (quase) líder incontestada da indústria de litografia e já está avançando para o próximo nível da tecnologia EUV: sistemas EUV de alta‑NA (High Numerical Aperture).

Máquinas EUV de alta‑NA já estão sendo implantadas: para a Intel em dezembro de 2023, para a TSMC um ano depois e para a Samsung até 2025.

A ASML também revelou no verão de 2024 seus planos para o que vem a seguir: a tecnologia “Hyper‑NA” EUV. Esse conceito, ainda em estágios iniciais de pesquisa, não seria implantado até depois de 2030.

Fonte: Tech PowerUp

No geral, os avanços da ASML em EUV e sua expertise em DUV a tornam um provável vencedor em qualquer guerra tecnológica em campos afins à sua expertise, como DUV sem máscara.

Entretanto, pode haver um período de instabilidade e renovada competição com fabricantes chineses que provavelmente conquistarão participação de mercado na produção de semicondutores do país, especialmente se ajudados pelo governo chinês ou devido a sanções ordenadas pelos EUA referentes às vendas da ASML à China.

Referência do estudo:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). Displays de microdiodos emissores de luz deep‑ultraviolet de alta potência em AlGaN para litografia sem máscara. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}