A Cymer alimentava um laser com 50.000 gotas de estanho por segundo para gerar a luz que imprime chips de 3 nm

Nos anos 2000, a indústria já tinha esgotado os comprimentos de onda disponíveis: para manter a Lei de Moore no prazo, os fabricantes de chips precisavam de litografia em 13,5 nm, uma luz que nenhum laser existente produz e que nenhuma lente consegue transmitir. A luz tinha de vir de um plasma quente o bastante para arrancar elétrons dos átomos de estanho até os estados de carga Sn IX a Sn XIV, cujas linhas de emissão se concentram em 13,5 nm — criada 50.000 vezes por segundo, durante anos, dentro de um vaso a vácuo, sem destruir a óptica que coleta o brilho.

As tentativas óbvias fracassaram. Alvos de estanho sólido queimados cobriam o espelho coletor de detritos, e os projetos por descarga elétrica colocavam eletrodos que se desgastavam na zona de explosão, com baixa potência. A Cymer, empresa de San Diego que já fabricava as fontes de luz ultravioleta profunda para a maioria dos scanners de chips, gastou anos e capital na resposta alimentada por gotas: um gerador que dispara gotas de estanho fundido de ~25 mícrons a 70 m/s, um pré-pulso que expande cada gota numa panqueca de baixa densidade, e um pulso principal de CO2 de 10,6 mícrons que a ioniza num plasma que emite em 13,5 nm com eficiência de conversão de 5–6% — cerca de 250 watts de luz utilizável.

A ASML, a única fabricante de sistemas de litografia ainda de pé na EUV, decidiu que a fonte de luz era crítica demais para ficar nas mãos de outra empresa. Em 17 de outubro de 2012, concordou em comprar a Cymer por 1,95 bilhão de euros em dinheiro e ações — US$ 20,00 mais 1,1502 ação da ASML por ação, um prêmio de 61% — explicitamente "para acelerar o desenvolvimento da EUV". Na época, os scanners NXE:3100 de pré-produção da ASML já haviam exposto mais de 23.000 wafers nas instalações de clientes.

O negócio foi fechado em 30 de maio de 2013 por cerca de US$ 3,7 bilhões, valor maior que o anunciado porque as ações da ASML quase dobraram. A Cymer continuou operando como a divisão de fontes de luz da ASML sediada nos EUA, ainda atendendo fabricantes rivais de scanners em condições independentes.

Alimente o plasma com gotas; deixe o alvo se renovar sozinho

O estanho é o único emissor prático em 13,5 nm, então o verdadeiro problema de projeto não era o plasma, mas sobreviver a ele — as gotas resolvem isso tornando o alvo descartável.

O esquema de dois pulsos molda o alvo antes de queimá-lo: a panqueca do pré-pulso permite que o pulso de CO2 se acople com eficiência, elevando a eficiência de conversão aos 5–6% que a fabricação exige.

O gás hidrogênio converte o estanho depositado em gás estanano, que é bombeado para fora, de modo que o espelho coletor se limpa no próprio local em vez de exigir a parada da ferramenta.

A ASML comprou a fabricante da fonte em vez de apostar seu programa EUV em negociações com fornecedores — a integração vertical removeu da cadeia de suprimentos o componente único mais arriscado.

Quando um componente vive sendo destruído pelo próprio trabalho, pare de torná-lo mais resistente — torne-o descartável e alimente-o continuamente. Um consumível que se renova supera a armadura.

Toda fábrica de chips de ponta agora opera com essa arquitetura: a ASML é a única empresa que vende sistemas de litografia EUV, e suas fontes da geração atual entregam cerca de 250 W de potência na banda, no foco intermediário, com sistemas de alta abertura numérica (high-NA) mirando 500 W. Os espelhos coletores ainda se degradam — cerca de 0,1–0,3% de perda de refletividade por bilhão de pulsos —, por isso são trocados aproximadamente uma vez por ano, e o gerador de gotas de estanho continua sendo o coração da máquina. Chips padronizados por luz de 13,5 nm estão dentro de praticamente todo smartphone e processador de data center modernos.