Burn Lin, da TSMC, trocou um novo laser por uma poça d'água para continuar reduzindo chips

Chips são impressos com luz, e por volta de 2002 o laser de fluoreto de argônio de 193nm havia atingido o limite do que a óptica a seco conseguia resolver. A resposta do roteiro era o comprimento de onda seguinte: lasers de flúor de 157nm com óptica inteiramente nova. Como a revisão de Burn-Jeng Lin de 2004 expôs, esse caminho estava falhando ao contato com a realidade — películas de filme fino não sobreviviam a mais de cerca de dez exposições, não existiam resists de 157nm em qualidade industrial, e o material de lente de fluoreto de cálcio ainda ficava aquém em qualidade e quantidade.

Lin havia proposto a imersão na IBM décadas antes e entrou na TSMC em 2000. Sua carta de 2002 — a análise do 'coeficiente k3' — mostrou que a lacuna entre a lente final do scanner e a pastilha era uma variável não utilizada na equação de resolução: preencha-a com água, índice 1,44 e quase transparente em 193nm, e 193nm efetivamente se torna 135nm com melhor profundidade de foco, usando as mesmas lentes, lasers e resists.

Sua revisão de 2004 então simulou os nós de 65, 45 e 32nm em sistemas a seco e imersos, defendendo o caso de ponta a ponta. Switkes e Rothschild, do MIT, já haviam mostrado o ganho de resolução de ~40 por cento da imersão em 157nm usando perfluoroéteres; água em 193nm fez o mesmo truque com um fluido que toda fábrica tinha no prédio.

A indústria mudou de rumo rapidamente. Em janeiro de 2004, o diretor de tecnologia de silício da IBM anunciou que comercializaria litografia conduzida através de água, e ASML e Nikon transformaram a imersão em linha de produto; os programas de 157nm foram encerrados sem nunca entregar uma ferramenta de produção. Scanners de imersão se tornaram o cavalo de batalha da vanguarda — as plataformas TWINSCAN NXT da ASML atingiram 275 pastilhas por hora em 2015 — e quando uma ferramenta de abertura 1,35 parou em 36nm, o padrão múltiplo esticou a mesma tecnologia até chips da classe de 10nm, como o SoC de triplo padrão da Samsung de 2016.

Coloque água entre a lente e a pastilha: 193nm age como 135nm

A água transmite bem a luz de 193nm e eleva a conversão efetiva do comprimento de onda, de modo que tanto a resolução quanto a profundidade de foco melhoram com as mesmas lentes e lasers.

O caminho de 157nm precisava de películas, resists e óptica de fluoreto de cálcio que não existiam em qualidade industrial; a imersão precisava de um líquido que toda fábrica já tinha.

O ganho se multiplica com tudo o que já está instalado: as fundições multiplicaram o valor de suas frotas de ArF em vez de esperar por uma cadeia de suprimentos inteiramente nova.

Foi análise primeiro, hardware depois — as equações de escala de Lin permitiram que fabricantes de ferramentas e químicos soubessem exatamente o que construir antes de comprometer capital.

Quando o roteiro diz para reconstruir tudo, procure a variável não utilizada na física que você já domina. Lin encontrou uma na equação de resolução e poupou à indústria novos lasers, lentes e resists.

A DUV por imersão carregou todos os nós de vanguarda de 65nm até 45, 32 e a classe de 10nm via padrão múltiplo, e ainda imprime a maioria das camadas em chips avançados hoje. Lin recebeu a Medalha IEEE Jun-ichi Nishizawa em 2013 e o Prêmio SPIE Mozi em 2023, e foi amplamente apelidado de pai da litografia por imersão. O episódio se tornou o exemplo padrão de como vencer uma corrida de comprimento de onda com um copo d'água: quando o roteiro parecia um penhasco, a variável mais barata da equação se mostrou suficiente.