Investigadores Chineses Mapeiam Moléculas de Resina Fotossensível e Alegam Redução de 99 por Cento em Defeitos para Chips Avançados

Porque esta nova perceção sobre a resina fotossensível é importante

Investigadores chineses afirmam ter observado diretamente o comportamento das moléculas de resina fotossensível nos filmes líquidos utilizados durante a litografia de chips, transformando depois essa perceção numa solução pronta para a fábrica que reduz drasticamente os defeitos. O trabalho, liderado por uma equipa da Universidade de Pequim em parceria com parceiros industriais, foi publicado na Nature Communications a 30 de setembro de 2025. A equipa afirma que o seu protocolo reduziu os resíduos poliméricos em pastilhas de 12 polegadas em até 99 por cento em condições reais de fabrico, uma alteração que poderá aumentar os rendimentos nos nós de processo de 7 nm e inferiores.

A resina fotossensível é a camada sensível à luz que define os padrões dos transistores e das ligações numa pastilha de silício. Durante a fotolitografia, um scanner projeta a imagem de um circuito sobre a resina. As regiões expostas alteram a sua solubilidade e, de seguida, o revelamento e a limpeza revelam o padrão. Resíduos minúsculos ou resíduos gelatinosos deixados para trás podem provocar curtos-circuitos nas linhas, romper contactos e desencadear falhas em etapas posteriores. Em nós avançados, com linhas estreitas e espaçamento apertado, mesmo um pequeno aglomerado de moléculas no sítio errado pode destruir uma die.

A China depende fortemente de resinas importadas, especialmente na gama mais elevada. Essa dependência é uma das razões pelas quais as fábricas nacionais tiveram dificuldades em aumentar os rendimentos nos nós mais avançados. Com os scanners de ultravioleta extremo de topo da ASML bloqueados para o mercado chinês desde 2019, os fabricantes nacionais de chips recorreram a várias rondas de padronagem por ultravioleta profundo para alcançar funcionalidades da classe dos 7 nm. Esse método amplia o papel da resina, porque a pastilha é sujeita a mais exposições, mais revelamentos e mais limpezas húmidas ao longo de dezenas de etapas. Qualquer redução de defeitos aleatórios traduz-se em mais chips funcionais por pastilha.

O que os investigadores fizeram exatamente

A equipa da Universidade de Pequim aplicou a tomografia eletrónica criogénica a filmes de resina fotossensível enquanto os polímeros ainda se encontravam no seu ambiente líquido nativo. Este método de imagem congela uma amostra fina extremamente rápido, fixa as moléculas no lugar e depois usa um microscópio eletrónico de transmissão para capturar uma série de vistas inclinadas. O software reconstrói um mapa tridimensional com resolução à escala do nanómetro. Com esta abordagem, os investigadores visualizaram como os polímeros da resina se organizam e se entrelaçam no interior do filme e na interface gás-líquido durante o revelamento e a enxaguagem.

Essas imagens, combinadas com experiências de processo, apontaram para uma fonte oculta de resíduos. Cadeias longas podem formar nós no topo do filme, junto à interface, e depois ficar presas nas reentrâncias do padrão durante a enxaguagem e a secagem. Com base nos mapas, a equipa concebeu um protocolo para inibir o entrelaçamento polimérico na interface. Afirma que esta alteração eliminou quase todos os defeitos relacionados com resíduos num contexto industrial, em pastilhas de 12 polegadas.

Da biologia à fabricação de chips: o que é a tomografia eletrónica criogénica

A tomografia eletrónica criogénica, frequentemente abreviada por cryo-ET, surgiu na biologia estrutural para imaginar proteínas e células nas suas formas nativas. A amostra é vitrificada, ou seja, a água e os solventes congelam num estado vítreo sem formar cristais que danificariam a estrutura. Uma série de inclinações de imagens eletrónicas é depois reconstruída num volume tridimensional. A principal vantagem é que as moléculas são preservadas no lugar em vez de serem secas ou coradas, o que poderia deslocar ou danificar estruturas frágeis. Levar a cryo-ET a materiais semicondutores permite aos investigadores observar polímeros que normalmente se movem e reorganizam-se em solução, apanhando-os finalmente em flagrante no momento em que formam as redes que causam defeitos.

Porque é que os entrelaçamentos poliméricos criam defeitos

Durante o revelamento, as regiões expostas da resina dissolvem-se, enquanto as áreas não expostas permanecem para proteger o filme subjacente. Cadeias entrelaçadas que atravessam ambas as regiões podem deixar véus finos após o revelamento, um defeito frequentemente designado por scumming. Em trincheiras e furos de contacto, os nós podem alojar-se e resistir à enxaguagem, o que se traduz em resíduos que depois interferem com a gravagem ou a deposição de metal. Estes são clássicos assassinos de rendimento. Aumentam a rugosidade das bordas das linhas, provocam micropontes entre linhas e obrigam a retrabalho. Se demasiadas funcionalidades forem afetadas, a pastilha é descartada. Quanto mais pequena a geometria, mais grave o problema, já que alguns nanómetros de material extra podem fechar um intervalo ou alterar uma dimensão crítica.

Como isto pode alterar os rendimentos de produção em nós avançados

O rendimento é a proporção de chips bons que chegam ao fim da fábrica em relação ao total de dies padronizadas numa pastilha. Aos 7 nm e abaixo, um sistema num chip moderno pode conter dezenas de milhares de milhões de transistores e requer centenas de etapas de processo. Os defeitos aleatórios acumulam-se rapidamente. Se um ajuste na resina eliminar uma fonte comum de resíduos em múltiplas camadas, o efeito multiplica-se ao longo do fluxo. Isso pode elevar o rendimento final em vários pontos percentuais, o que, na economia da fundição, representa uma melhoria considerável no custo por die boa.

O comportamento da resina afeta mais do que a exposição e o revelamento. A seletividade da gravagem, os danos por plasma e as limpezas húmidas dependem todas de como a rede polimérica se forma e de como se degrada. A equipa de investigação afirma que o mesmo controlo de interface que reduz resíduos na litografia também diminui a transferência de defeitos para a gravagem e a limpeza. Isso ajudaria a estabilizar as dimensões críticas e a rugosidade das linhas, o que, por sua vez, melhora a variabilidade e o desempenho dos dispositivos.

Menos ciclos de retrabalho, mais dies boas por pastilha

As fundições frequentemente fazem voltar as pastilhas por limpezas ou técnicas de reparação para recuperar rendimento. Cada ciclo acrescenta tempo, custo e risco. Se os resíduos caírem 99 por cento, a necessidade de etapas adicionais reduz-se. Isso liberta capacidade dos equipamentos, encurta o tempo de ciclo e diminui o consumo de produtos químicos. Para os clientes, menos defeitos latentes significam melhor fiabilidade durante o burn-in e a utilização em campo. Para os designers de chips, uma distribuição mais apertada das larguras das linhas e dos contactos proporciona um timing e um consumo de energia mais previsíveis.

Como isto se insere na estratégia chinesa para os chips

Os materiais e a litografia estão no centro dos esforços da China para reduzir a dependência de fornecedores estrangeiros. A resina fotossensível é um ponto fraco evidente. Os fornecedores nacionais progrediram em produtos de gama média para equipamentos KrF e ArF, mas as qualidades de topo continuam dominadas por empresas no Japão, nos Estados Unidos e na Coreia do Sul. Estimativas do setor apontam para um mercado chinês de resinas fotossensíveis de cerca de 11,4 mil milhões de yuans em 2024, com crescimento continuado esperado em 2025. A procura global de resinas fotossensíveis foi avaliada em cerca de 2,7 mil milhões de dólares no ano passado e poderá atingir 4,5 mil milhões até 2031, refletindo o aumento do número de camadas e regras de desenho mais apertadas.

Os decisores políticos visaram os materiais na ronda de financiamento mais recente do Fundo Nacional de Investimento da Indústria de Circuitos Integrados. Analistas indicam que a Fase Três inclui mais de 50 mil milhões de yuans para químicos, resinas e processos relacionados, juntamente com investimento em ferramentas e equipamentos. Definir regras comuns faz parte dessa iniciativa. A Administração de Normalização da China emitiu uma especificação nacional de ensaio para resinas fotossensíveis de ultravioleta extremo. Métodos de ensaio comuns ajudam universidades e empresas a comparar resultados, qualificar fornecedores e preparar-se para a fabricação-piloto.

Universidades e empresas impulsionam novos materiais

Universidades e startups chinesas também procuram novas químicas para a era do ultravioleta extremo. Uma equipa da Universidade de Tsinghua apresentou em julho uma resina politeluroxano que incorpora átomos de telúrio na espinha dorsal do polímero para aumentar a absorção a 13,5 nm. A ligação Te-O rompe-se mais facilmente sob exposição, o que pode aumentar a sensibilidade mantendo baixo o peso molecular para melhorar a resolução. Se esse material for escalado, poderá oferecer uma via nacional para a padronagem por ultravioleta extremo com melhores compromissos entre sensibilidade, rugosidade de linha e desgaseificação.

No âmbito empresarial, uma unidade de materiais da SiCarrier apresentou uma resina de aglomerados metálicos que as patentes descrevem como baseada em aglomerados de óxido de estanho, com padronagem alegadamente viável de 3 nm a 50 nm. Estas alegações carecem de validação independente numa linha de fundição, mas apontam para uma tendência mais alargada. Empresas chinesas estão a entrar na corrida das resinas, enquanto os fabricantes de equipamentos ampliam as opções nacionais de litografia. Uma nova empresa resultante da Shanghai Micro Electronics Equipment mostrou steppers para semicondutores compostos, sistemas de recozimento a laser e equipamentos de inspeção. O país continua sem acesso a scanners avançados de ultravioleta extremo da ASML, mas o ecossistema está a evoluir para preencher lacunas em materiais, metrologia e software de desenho.

O que este avanço é, e o que não é

O resultado da Universidade de Pequim aborda um ponto de dor muito específico: o comportamento dos polímeros da resina em filmes líquidos e na interface com o ar durante o revelamento e a enxaguagem. Ao imaginar diretamente essas estruturas e alterar a forma como se formam, a equipa propõe uma forma de reduzir uma fonte comum de contaminação. Isso é valioso porque encurta a afinação do processo e reduz a tentativa e erro, duas fontes crónicas de atraso quando uma fábrica coloca em produção um novo nó.

Não substitui os scanners, máscaras e resinas de última geração necessários para alcançar as geometrias mais pequenas. A litografia de ultravioleta extremo introduz desafios que vão além dos resíduos. A fonte de luz tem luminosidade limitada, o ruço de tiro leva a variação aleatória nas bordas das linhas e a resina terá de equilibrar a sensibilidade com a rugosidade de linha e o colapso do padrão. As máscaras precisam de películas protetoras que sobrevivam à luz de alta energia e o controlo de contaminação é exigente. O controlo de interface ajudará, mas as fábricas chinesas continuarão condicionadas pelos equipamentos que podem comprar e construir.

As alegações também carecem de verificação abrangente. Uma redução de 99 por cento medida num único ambiente pode não se aplicar a todas as resinas ou a todas as camadas. Diferentes densidades de padrão, reveladores, enxaguagens e químicas de gravagem interagem de formas complexas. O passo seguinte é a replicação em múltiplas fábricas e processos, com dados ao nível do dispositivo que relacionem a redução de resíduos com um rendimento final e fiabilidade mais elevados.

Próximos passos para a investigação e a indústria

Vários marcos mostrarão se este avanço transforma a produção na prática. Primeiro, fábricas e fornecedores de materiais independentes poderão testar o protocolo em pilhas comuns de imersão ArF e ultravioleta extremo a seco e publicar as janelas de processo. Segundo, as fundições poderão relatar quanto o retrabalho diminui e como a rugosidade da borda da linha e a variabilidade da dimensão crítica melhoram quando o método é aplicado a camadas críticas. Terceiro, os fornecedores de equipamentos e produtos químicos poderão propor definições de ferramentas e formulações que integrem o controlo de interface em receitas completas que os clientes possam adotar sem alterações significativas.

Os sinais políticos na China apontam para investimento continuado em materiais para resinas fotossensíveis. O padrão nacional de ensaio para resinas de ultravioleta extremo deverá facilitar a comparação de desempenho e a qualificação de lotes. Os programas universitários, incluindo o trabalho em Tsinghua sobre polímeros à base de telúrio, mantêm o fluxo de talentos ativo. As empresas começam a mostrar uma combinação de scanners, sistemas de inspeção e novas resinas em fóruns públicos, o que sugere que virão mais pilotos. Fora da China, programas apoiados pelos governos nos Estados Unidos, Europa, Japão e Coreia do Sul estão a investir milhares de milhões em investigação sobre chips. A competência na ciência das resinas fotossensíveis tenderá a agravar-se à medida que cada região procura controlar mais da pilha de materiais.

Pontos-Chave

• A Universidade de Pequim e parceiros usaram tomografia eletrónica criogénica para imaginar moléculas de resina fotossensível em filmes líquidos e nas interfaces, e conceberam depois um processo que, segundo a equipa, reduziu os resíduos poliméricos em até 99 por cento em pastilhas de 12 polegadas.
• O trabalho foi publicado na Nature Communications a 30 de setembro de 2025 e visa as perdas de rendimento em nós de 7 nm e inferiores, onde resíduos minúsculos podem destruir dies.
• A China continua dependente de resinas fotossensíveis importadas de gama alta e não tem acesso a scanners avançados de ultravioleta extremo da ASML devido a controlos de exportação.
• A China avançou no apoio a materiais através de financiamento e normas, incluindo uma nova especificação nacional de ensaio para resinas fotossensíveis de ultravioleta extremo.
• A Universidade de Tsinghua apresentou uma resina de ultravioleta extremo à base de telúrio, e empresas chinesas mostraram resinas de aglomerados metálicos e ferramentas de litografia nacionais, embora muitas alegações aguardem validação independente.
• O avanço melhora a perceção e o controlo do comportamento da resina na interface, mas não elimina a necessidade de scanners avançados, máscaras e resinas de nova geração.