A caminho da nova geração de circuitos integrados

Publicado em 11/11/2015

Pesquisadores investigam novos materiais para uso na litografia com ultravioleta extremo

Celulares, computadores e outros onipresentes dispositivos eletrônicos portáteis devem sua existência à contínua miniaturização dos circuitos eletrônicos iniciada com a invenção do transistor, em 1947. Um elemento de circuito capaz de ligar, desligar ou amplificar a corrente elétrica que passa por ele, o transistor substituiu os grandes e frágeis tubos (ou válvulas) de vácuo, que faziam com que os primeiros computadores digitais ocupassem salas ou mesmo prédios inteiros.

Aliado a isso, tem-se o desenvolvimento dos circuitos integrados, que compõem os chips de memórias e microprocessadores. Num circuito integrado, os componentes do circuito – transistores, resistores, capacitores, diodos – são diretamente esculpidos num substrato, tipicamente de silício, com o uso de luz ultravioleta. Os circuitos integrados são hoje constituídos de milhões de transistores por milímetro quadrado, e esse número aproximadamente dobra a cada 24 meses.

Quanto maior a densidade de transistores e outros elementos num circuito, menor o comprimento de onda da luz ultravioleta que deve ser utilizado na manufatura. No entanto, o uso luz de comprimentos de onda cada vez menores exige o desenvolvimento de novos processos de produção dos circuitos integrados e de novos materiais, compatíveis com essa radiação de maior energia.

Assim, pesquisadores das Universidades Federais do Rio Grande (FURG) e do Rio Grande do Sul (UFRGS) e Indian Institute of Technology Mandi, em Himachal Pradesh, Índia, utilizaram as dependências do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron para investigar as propriedades de novos polímeros para a produção da próxima geração de circuitos integrados.

Circuitos integrados

Desde o final da década de 1970, a produção de circuitos integrados é feita por meio de um processo chamado de fotolitografia, que consiste na transferência de padrões geométricos para um substrato por meio da incidência de luz.

Os circuitos integrados comuns têm com substrato lâminas de cristal extremamente puro de silício, sobre o qual é depositada uma fina camada de óxido de silício, e a seguir um filme fino de polímeros sensíveis à luz. O conjunto é iluminado por radiação ultravioleta num padrão determinado por uma máscara ótica, que sensibiliza o polímero, quebrando e rearranjando ligações químicas. A seguir, o conjunto passa por um processo de revelação que remove seletivamente o material sensibilizado.

O silício passa então pelo processo chamado de dopagem, que consiste em adicionar impurezas a um material semicondutor, como o silício, de forma a mudar suas propriedades elétricas. Ainda, material condutor ou isolante pode ser adicionado ao silício para compor os diferentes elementos de um circuito. O processo é então repetido quantas vezes for necessário. E quanto menor o comprimento de onda da luz ultravioleta usada, maior o número de componentes que podem ser adicionados a um circuito.

Fotolitografia no ultravioleta extremo

A contínua miniaturização dos circuitos integrados, assim como a queda nos custos de produção, passa tanto pela diminuição do comprimento de onda da luz ultraviolenta como pela mudança do material utilizado como filme fotossensível.

Até a década de 1990, luz ultravioleta de comprimentos de onda de 437, 405, 365 e 313 nanômetros foi usada na fotolitografia. Naquela década, novos materiais e técnicas permitiram a diminuição do comprimento de onda utilizado a 248 nanômetros. E novamente na virada do milênio, o comprimento de onda da radiação foi diminuída para 193 nanômetros, na região do ultravioleta profundo. A nova fronteira se encontra na luz ultravioleta extrema, na região dos 12,5 nanômetros.

No entanto, luz na região do ultravioleta extremo é ionizante, causando, por exemplo, a liberação de uma grande quantidade de elétrons secundários ao interagir com a matéria. Esses elétrons deterioram também as áreas não expostas à radiação, prejudicando a qualidade dos circuitos.

Assim, o desenvolvimento de novos materiais poliméricos e o conhecimento detalhado de suas propriedades fotodinâmicas – seu comportamento ao serem submetidos à luz na região do ultravioleta extremo – é imprescindível para a produção da nova geração de circuitos integrados.

Novos materiais

Os pesquisadores sintetizaram dois materiais: um polímero produzido a partir de moléculas da substância trifluorometanosulfonato de 1-(4-(metacriloxi)-naftaleno-1-il)tetrahidro-1H-tiofeno ou, de forma mais simples, MANTMS e um copolímero produzido a partir da mesma molécula com a adição de metil metacrilato, MANTMS-MMA.

Filmes finos desses compostos foram preparados e expostos a luz no ultravioleta extremo nas estações experimentais da linha de luz SGM, do LNzLS. Segundo o pesquisador correspondente, Daniel Eduardo Weibel, “as características únicas da radiação síncrotron – alta monocromaticidade, intensidade e energia continuamente variável – permitiram obter informação detalhada dos mecanismos de fotofragmentação, ou seja, a liberação de fragmentos que acontecem após a absorção de fótons do ultravioleta extremo”. A investigação das propriedades fotodinâmicas dos dois polímeros revelou que o copolímero MANTMS-MMA apresentou uma maior fotoestabilidade devido à presença do grupo metacrilato, capaz de melhor dissipar a energia da radiação.

Ainda, por meio da alta monocromaticidade da fonte de luz síncrotron, foi estudada como o processo fotodinâmico depende da energia de excitação, já que “pela escolha seletiva de excitações localizadas em determinadas ligações químicas na estrutura polimérica, foi possível conhecer os mecanismos prováveis de fragmentação”.

Um resultado importante da pesquisa foi a possibilidade de se quebrar seletivamente as ligações duplas entre carbonos nos grupos aromáticos dos polímeros mantendo baixa ou nula a quebra de ligações entre carbono e oxigênio e carbono e flúor. Isso permite a sensibilização do material sem a liberação de gases que acabariam por contaminar o circuito e prejudicar sua manufatura. Os efeitos foram particularmente notáveis quando o copolímero foi irradiado com luz síncrotron monocromática.

Por demonstrar a importância da escolha de grupos funcionais específicos, os resultados obtidos devem servir como guia para o desenvolvimento de resinas poliméricas, com potencial para a fotolitografia por ultravioleta extremo, produzindo-se transistores e outras estruturas cada vez menores e circuitos integrados cada vez mais densos.

A pesquisa teve suporte do Conselho Nacional de Desenvolvimento Tecnológico (CNPq) e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

Fonte: G.R. Chagas, V.S.V. Satyanarayana, F. Kessler, G.K. Belmonte, K.E. Gonsalves, e D.E. Weibel, Selective Fragmentation of Radiation-Sensitive Novel Polymeric Resist Materials by Inner-Shell Irradiation, ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 7, 16348−16356. doi:10.1021/acsami.5b03378.

Projeto de Circuitos Integrados – Oportunidades no Brasil

O Projeto de Gestão da Rede SIBRATEC de Inovação em Microeletrônica, coordenado pela FACTI – Fundação de Apoio à Capacitação em Tecnologia da Informação – ligada ao CTI – Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, em conjunto com o MCTIC – Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações, a FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos, a ABINEE – Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica e a ABIMO, realizará no dia 17 de novembro o workshop “Projeto de Circuitos Integrados – Oportunidades no Brasil”, que ocorrerá na sede da ABINEE, em São Paulo.

O objetivo do evento é apresentar, para uma plateia de empresas potencialmente interessadas, os resultados alcançados pela Rede, bem como pelo Programa CI Brasil, onde foram capacitadas diversas Design Houses – DH para projeto de circuitos integrados. Tendo em vista que o uso de circuitos integrados dedicados é uma importante via de inovação para produtos de base eletrônica, tanto digital como analógica, ou produtos que envolvam subsistemas eletrônicos. É importante apresentar às empresas potencialmente interessadas o resultado do esforço de capacitação que foi feito, assim como os resultados concretos já alcançados. Mais do que isso, considerando que há necessidade de equacionar o apoio que se faz necessário prover para projetos e iniciativas deste tipo, participarão deste evento o Secretário de Tecnologia e Inovação do MCTIC, Dr. Álvaro Prata, e o Secretário de Política de Informática, também do MCTIC, Dr. Maximiliano Martinhão e representantes da FINEP, BNDES e CNPq.

Serviço: Projeto de Circuitos Integrados – Oportunidades no Brasil

Data: 17 de novembro

Local: Sede da ABINEE

Endereço: Av. Paulista nº 1439 – 6º andar

Horário: 14h às 18h

Que metais preciosos contém os circuitos integrados

Mas o que é um Circuito Integrado?

Em eletrônica, um circuito integrado (também conhecido como CI, microcomputador, microchip, chip de silício, chip ou chipe) é um circuito eletrônico miniaturizado (composto principalmente por dispositivos semicondutores), que tem sido produzido na superfície de um substrato fino de material semicondutor.

Os circuitos integrados são usados em quase todos os equipamentos eletrônicos usados hoje e revolucionaram o mundo da eletrônica.

Um circuito integrado híbrido é um circuito eletrônico miniaturizado constituído de dispositivos semicondutores individuais, bem como componentes passivos, ligados a um substrato ou placa de circuito.

A escala de integração miniaturizou os componentes eletrônicos de tal forma que os circuitos integrados possuem o equivalente a milhares de componentes eletrônicos em sua constituição interna. CIs tem duas principais vantagens sobre circuitos discretos: custo e desempenho. O custo é baixo, porque as fichas, com todos os seus componentes, são impressos como uma unidade por fotolitografia, em vez de ser construído um transistor de cada vez. Além disso, CIs embalados utilizam muito menos material do que os circuitos discretos. O desempenho é alto porque os componentes do CI alternam rapidamente e consomem pouca energia (em comparação com os seus homólogos discretos), como resultado do pequeno tamanho e proximidade dos componentes. A partir de 2012, as áreas de chips típicos variam entre alguns milímetros quadrados para cerca de 450 mm2, com um máximo de 9 milhões de transistores por mm2. Os circuitos integrados são usados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos hoje e revolucionaram o mundo da eletrônica. Computadores, telefones celulares e outros aparelhos domésticos digitais são agora partes inextricáveis da estrutura das sociedades modernas, tornados possíveis pelo baixo custo de circuitos integrados. Alguns exemplos de circuitos integrados com teor de ouro e prata:

Circuito integrado de um microchip memória EPROM mostrando os blocos de memória, os circuitos de apoio e os finos fios de prata. Um chip Soviético MSI nMOS feito em 1977, parte de um conjunto de quatro chips projetados para uma calculadora em 1970 com os trilhos em ouro.

Separe estes circuitos e quando já tiver muitos, faça o processo de recuperação destes metais.