Pesquisadores chineses mapeiam moléculas de fotorresiste e afirmam ter reduzido defeitos em 99% em chips avançados

Por que essa nova descoberta sobre fotorresistes é importante

Pesquisadores chineses afirmam ter observado diretamente como as moléculas de fotorresiste se comportam nas películas líquidas usadas na litografia de chips e, em seguida, transformado essa descoberta em uma solução pronta para a fábrica que reduz drasticamente os defeitos. O trabalho, liderado por uma equipe da Universidade de Pequim com parceiros industriais, foi publicado na Nature Communications em 30 de setembro de 2025. A equipe relata que seu protocolo reduziu em até 99% os resíduos de polímero em wafers de 12 polegadas em condições reais de fabricação, uma mudança que poderia aumentar o rendimento nos nós de processo de 7 nm e menores.

O fotorresiste é o revestimento fotossensível que define os padrões dos transistores e da fiação em um wafer de silício. Durante a fotolitografia, um scanner projeta a imagem de um circuito no fotorresiste. As regiões expostas mudam de solubilidade; em seguida, a revelação e a limpeza mostram o padrão. Resíduos minúsculos ou restos de material podem causar curtos entre linhas, romper contatos e provocar falhas em etapas posteriores. Em nós avançados, com linhas estreitas e espaçamento reduzido, até um pequeno aglomerado de moléculas no lugar errado pode inutilizar um chip.

A China depende fortemente de fotorresistes importados, sobretudo nos segmentos de ponta. Essa dependência é uma das razões pelas quais as fábricas domésticas têm dificuldade para elevar o rendimento nos nós mais avançados. Como os principais scanners de ultravioleta extremo (EUV) da ASML estão fora do alcance do mercado chinês desde 2019, fabricantes locais de chips têm usado várias etapas de litografia com ultravioleta profundo para alcançar características da classe de 7 nm. Esse método amplia a importância do fotorresiste, pois o wafer passa por mais exposições, revelações e limpezas úmidas ao longo de dezenas de etapas. Qualquer redução nos defeitos aleatórios se traduz em mais chips funcionais por wafer.

O que exatamente os pesquisadores fizeram

A equipe da Universidade de Pequim aplicou a tomografia crioeletrônica a películas de fotorresiste enquanto os polímeros ainda estavam em seu ambiente líquido natural. Esse método de imageamento congela uma amostra fina muito rapidamente, imobiliza as moléculas e, então, usa um microscópio eletrônico de transmissão para capturar uma série de imagens inclinadas. Um software reconstrói um mapa tridimensional em escala nanométrica. Com essa abordagem, os pesquisadores visualizaram como os polímeros do fotorresiste se organizam e se entrelaçam no interior da película e na interface entre gás e líquido durante a revelação e o enxágue.

Essas imagens, combinadas com experimentos de processo, apontaram para uma fonte oculta de resíduos. Cadeias longas podem formar nós na parte superior da película, perto da interface, e depois ficar presas nas reentrâncias do padrão durante o enxágue e a secagem. Com base nos mapas, a equipe criou um protocolo para inibir o entrelaçamento dos polímeros na interface. Os pesquisadores relatam que a mudança eliminou quase todos os defeitos relacionados a resíduos em um ambiente industrial, em wafers de 12 polegadas.

Da biologia à fabricação de chips: o que é tomografia crioeletrônica

A tomografia crioeletrônica, frequentemente abreviada como crio-ET, surgiu na biologia estrutural para obter imagens de proteínas e células em suas formas naturais. A amostra é vitrificada, ou seja, a água e os solventes congelam em um estado semelhante ao vidro, sem formar cristais que poderiam perturbar a estrutura. Em seguida, uma série de imagens eletrônicas em diferentes ângulos é reconstruída em um volume tridimensional. A principal vantagem é que as moléculas são preservadas no lugar, em vez de serem secas ou tingidas, processos que poderiam deslocar ou danificar estruturas frágeis. A aplicação da crio-ET a materiais semicondutores permite observar polímeros que normalmente se agitam e se reorganizam em solução, capturando-os finalmente no ato de formar as redes que causam defeitos.

Por que o entrelaçamento de polímeros gera defeitos

Durante a revelação, as regiões expostas do fotorresiste se dissolvem, enquanto as áreas não expostas permanecem para proteger a película subjacente. Cadeias entrelaçadas que atravessam ambas as regiões podem deixar películas finas após a revelação, um defeito frequentemente chamado de formação de resíduos. Em valas e orifícios de contato, os nós podem ficar presos e resistir ao enxágue, aparecendo como resíduos que mais tarde interferem na gravação ou na deposição de metal. Esses defeitos são conhecidos por reduzir o rendimento. Eles aumentam a rugosidade das bordas das linhas, criam microconexões entre linhas e exigem retrabalho. Se muitas estruturas forem afetadas, o wafer é descartado. Quanto menores as dimensões, mais grave é o problema, pois alguns nanômetros de material extra podem fechar uma lacuna ou alterar uma dimensão crítica.

Como isso poderia mudar o rendimento da produção em nós avançados

Rendimento é a proporção de chips funcionais que chegam ao fim da fabricação em relação ao total de chips definidos no wafer. Em 7 nm e abaixo, um sistema em chip moderno pode conter dezenas de bilhões de transistores e exige centenas de etapas de processo. Os defeitos aleatórios se acumulam rapidamente. Se um ajuste no fotorresiste eliminar uma fonte comum de resíduos em várias camadas, o efeito se multiplica ao longo do processo. Isso pode elevar o rendimento final em vários pontos percentuais, uma grande melhoria no custo por chip funcional para a economia das fundições.

O comportamento do fotorresiste afeta mais do que a exposição e a revelação. A seletividade da gravação, os danos causados pelo plasma e as limpezas úmidas dependem de como a rede polimérica se forma e se rompe. A equipe de pesquisa afirma que o mesmo controle da interface que reduz resíduos na litografia também diminui a propagação de defeitos para as etapas de gravação e 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 chips funcionais por wafer

As fundições frequentemente submetem os wafers a novas etapas de limpeza ou a técnicas de reparo para recuperar rendimento. Cada ciclo acrescenta tempo, custo e risco. Se os resíduos caírem 99%, a necessidade de etapas extras diminui. Isso libera capacidade dos equipamentos, reduz o tempo de ciclo e diminui o uso de produtos químicos. Para os clientes, menos defeitos latentes significam maior confiabilidade durante o burn-in e o uso em campo. Para os projetistas de chips, uma distribuição mais estreita das larguras das linhas e dos contatos permite prever melhor o tempo de processamento e o consumo de energia.

Onde isso se encaixa na estratégia chinesa para chips

Materiais e litografia estão no centro dos esforços da China para reduzir a dependência de fornecedores estrangeiros. O fotorresiste é um ponto fraco evidente. Fornecedores domésticos avançaram em produtos intermediários para equipamentos KrF e ArF, mas os materiais de ponta continuam dominados por empresas do Japão, dos Estados Unidos e da Coreia do Sul. Estimativas do setor situam o mercado chinês de fotorresistes em cerca de 11,4 bilhões de yuans em 2024, com crescimento contínuo esperado em 2025. A demanda global por fotorresistes foi avaliada em quase 2,7 bilhões de dólares no ano passado e pode chegar a 4,5 bilhões até 2031, refletindo o aumento do número de camadas e o aperto das regras de projeto.

Os formuladores de políticas incluíram materiais na rodada de financiamento mais recente do Fundo Nacional de Investimento na Indústria de Circuitos Integrados. Analistas relatam que a Fase Três prevê mais de 50 bilhões de yuans para produtos químicos, fotorresistes e processos relacionados, além de investimentos em ferramentas e equipamentos. Estabelecer regras comuns faz parte desse esforço. A Administração de Padronização da China publicou uma especificação nacional de testes para fotorresistes de ultravioleta extremo. Métodos de teste comuns ajudam universidades e empresas a comparar resultados, qualificar fornecedores e se preparar para a fabricação piloto.

Universidades e empresas desenvolvem novos materiais

Universidades e startups chinesas também estão pesquisando novas formulações químicas para a era do ultravioleta extremo. Em julho, uma equipe da Universidade Tsinghua relatou um fotorresiste de politeluroxano que incorpora átomos de telúrio à cadeia principal do polímero para aumentar a absorção em 13,5 nm. A ligação Te-O se rompe mais facilmente durante a exposição, o que pode aumentar a sensibilidade e, ao mesmo tempo, manter baixo o peso molecular para melhorar a resolução. Se esse material puder ser produzido em escala, poderá oferecer uma alternativa doméstica para a litografia de ultravioleta extremo, com um equilíbrio melhor entre sensibilidade, rugosidade das linhas e liberação de gases.

No setor empresarial, uma divisão de materiais da SiCarrier apresentou um fotorresiste de aglomerados metálicos que, segundo patentes, é baseado em aglomerados de óxido de estanho e permite padrões de 3 nm a 50 nm. Essas alegações precisam de validação independente em uma linha de fundição, mas apontam para uma tendência mais ampla. Empresas chinesas estão entrando na corrida dos fotorresistes enquanto fabricantes de equipamentos ampliam as opções domésticas de litografia. Uma nova empresa derivada da Shanghai Micro Electronics Equipment apresentou steppers para semicondutores compostos, sistemas de recozimento a laser e equipamentos de inspeção. O país continua sem acesso aos scanners avançados de ultravioleta extremo da ASML, mas o ecossistema está avançando para preencher lacunas em materiais, metrologia e software de projeto.

O que essa descoberta é, e o que não é

O resultado da Universidade de Pequim aborda um problema bastante específico: o comportamento dos polímeros do fotorresiste em películas líquidas e na interface com o ar durante a revelação e o enxágue. Ao obter imagens diretas dessas estruturas e alterar a forma como se formam, a equipe propõe uma maneira de reduzir uma fonte comum de contaminação. Isso é valioso porque reduz o tempo de ajuste do processo e a tentativa e erro, duas fontes crônicas de atraso quando uma fábrica começa a produzir em um novo nó.

Isso não substitui os scanners, as máscaras e os fotorresistes de última geração necessários para alcançar as menores dimensões. A litografia de ultravioleta extremo traz desafios que vão além dos resíduos. A fonte de luz tem brilho limitado, o ruído de fótons provoca variações aleatórias nas bordas das linhas e o fotorresiste precisa equilibrar sensibilidade, rugosidade das linhas e colapso dos padrões. As máscaras precisam de películas protetoras que resistam à luz de alta energia, e o controle da contaminação é exigente. O controle da interface será útil, mas as fábricas chinesas ainda estarão limitadas pelas ferramentas que conseguem comprar e fabricar.

As alegações também precisam de ampla verificação. Uma redução de 99% medida em um ambiente pode não se aplicar a todos os fotorresistes ou a todas as camadas. Diferentes densidades de padrões, reveladores, enxágues e químicas de gravação interagem de formas complexas. O próximo passo é replicar os resultados em várias fábricas e processos, com dados no nível dos dispositivos que relacionem a redução de resíduos a um maior rendimento final e à confiabilidade.

Próximos passos para a pesquisa e a indústria

Vários marcos indicarão se esse avanço transformará a produção na prática. Primeiro, fundições independentes e fornecedores de materiais podem testar o protocolo em processos comuns com imersão ArF e em pilhas de camadas para litografia seca de ultravioleta extremo, além de publicar as janelas de processo. Segundo, as fundições podem informar quanto o retrabalho diminui e como melhoram a rugosidade das bordas das linhas e a variabilidade das dimensões críticas quando o método é aplicado a camadas essenciais. Terceiro, fornecedores de equipamentos e produtos químicos podem propor configurações de máquinas e formulações que incorporem o controle da interface a receitas prontas para uso, que os clientes possam adotar sem grandes mudanças.

Os sinais de política pública na China apontam para a continuidade dos investimentos em materiais para fotorresistes. O padrão nacional de testes para fotorresistes de ultravioleta extremo deve facilitar a comparação de desempenho e a qualificação de lotes. Programas universitários, incluindo a pesquisa da Universidade Tsinghua sobre polímeros à base de telúrio, mantêm ativa a formação de profissionais. Empresas começam a apresentar, em eventos públicos, uma combinação de scanners, sistemas de inspeção e novos fotorresistes, o que sugere que mais projetos-piloto estão a caminho. Fora da China, programas financiados pelos governos dos Estados Unidos, da Europa, do Japão e da Coreia do Sul estão investindo bilhões em pesquisa de chips. A competição na ciência dos fotorresistes provavelmente vai se intensificar à medida que cada região tenta controlar uma parcela maior da cadeia de materiais.

Principais pontos

• A Universidade de Pequim e seus parceiros usaram tomografia crioeletrônica para obter imagens de moléculas de fotorresiste em películas líquidas e nas interfaces e, em seguida, criaram um processo que, segundo a equipe, reduziu em até 99% os resíduos de polímero em wafers de 12 polegadas.
• O trabalho foi publicado na Nature Communications em 30 de setembro de 2025 e busca reduzir perdas de rendimento nos nós de 7 nm e menores, nos quais resíduos minúsculos podem inutilizar chips.
• A China continua dependente de fotorresistes importados de ponta e não tem acesso aos scanners avançados de ultravioleta extremo da ASML devido aos controles de exportação.
• A China passou a apoiar o setor de materiais com financiamento e normas, incluindo uma nova especificação nacional de testes para fotorresistes de ultravioleta extremo.
• A Universidade Tsinghua relatou um fotorresiste de ultravioleta extremo à base de telúrio, e empresas chinesas apresentaram fotorresistes de aglomerados metálicos e equipamentos domésticos de litografia, embora muitas alegações ainda aguardem validação independente.
• A descoberta aprimora a compreensão e o controle do comportamento do fotorresiste na interface, mas não elimina a necessidade de scanners avançados, máscaras e fotorresistes de nova geração.