Ултравиолетовата революция: Вътре в невидимите машини за 150 милиона долара, които оформят бъдещето на микрочиповете

Ултравиолетовите литографски машини струват над 150 милиона долара всяка и са с размерите на автобус.
Наблюдателите в индустрията наричат най-новото поколение от тези инструменти „машините, които спасиха закона на Мур“, защото те позволяват съвременните водещи процесори.
ASML е единственият доставчик на EUV литографски системи, като EUV инструментите струват около 150–180 милиона долара всеки.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) внедри EUV в масово производство за първи път при своя 7nm+ (N7+) процес през 2019 г.
Екстремната ултравиолетова литография използва 13,5 nm светлина, произведена чрез насочване на мощен лазер към капки калай, за да се създаде плазма, която излъчва EUV радиация, като консумацията на енергия на машината надвишава 1 мегават.
ASML достави първия High-NA EUV инструмент, EXE:5200, през 2025 г., който увеличава числовата апертура до 0,55 и е насочен към около 175 вафли на час.
Първите комерсиални EUV чипове излязоха през 2019 г., като процесът 7nm+ (N7+) на TSMC и 7LPP на Samsung използват EUV.
Експортният контрол блокира ASML да продава EUV на Китай, докато продажбите на ASML за Китай през 2024 г. са около 7 милиарда долара, основно от DUV инструменти.
Nikon и Canon се оттеглиха от разработката на EUV; Nikon продължава да доставя 193 nm имерсионни скенери, докато Canon се фокусира върху наноимпринт литография (NIL) с пробни доставки през 2024 г.
DRAM паметта на Samsung от 14 nm клас използва EUV на няколко слоя, а Micron планира EUV за следващия си DRAM възел.

Всеки модерен микропроцесор – от чипа във вашия смартфон до процесорите, които захранват облачния AI – се ражда под ултравиолетова светлина. Всъщност някои от най-усъвършенстваните производствени машини на Земята насочват невидими ултравиолетови лазери към силициеви вафли, за да гравират нанометровите схеми, които правят микрочиповете функционални. Тези машини струват над $150 милиона всяка, са с размерите на автобус и работят с почти научнофантастична сложност – но въпреки това са незабележимите работни коне зад закона на Мур и непрекъснатия напредък към по-бързи, по-малки и по-ефективни процесори ^[1], ^[2]. Наблюдателите в индустрията дори наричат най-новото поколение от тези инструменти „машините, които спасиха закона на Мур“, защото без тях производството на най-съвременните чипове би било практически невъзможно ^[3]. Този доклад разглежда света на ултравиолетовата литография – както в традиционната ѝ форма дълбока ултравиолетова (DUV), така и в най-новата екстремна ултравиолетова (EUV) – обяснявайки как работи, защо е толкова критична за развитието на микропроцесорите и накъде се насочва в бъдеще.

Ултравиолетовата литография може да звучи като езотерично инженерство, но нейното въздействие е много реално и видимо в нашето ежедневие. Чрез отпечатване на все по-фини шарки от транзистори върху силиций, UV литографията директно позволява забележителното темпо на развитие в технологичната индустрия. Както един технологичен анализатор откровено каза, „Законът на Мур на практика се разпада, и без тази машина, той е загубен. Не можете наистина да произвеждате водещи процесори без EUV.“ ^[4] С други думи, бъдещето на микрочиповете – и всички джаджи и иновации, които те задвижват – сега зависи от овладяването на светлината при миниатюрни дължини на вълната. По-долу ще обясним как работи този светлинно-базиран печат, как се е развил до най-новата EUV технология, кои са основните играчи (от холандския производител на инструменти ASML до гиганти като TSMC, Samsung и Intel), последните пробиви (като машини от следващо поколение за EUV и алтернативни техники), и какво казват експертите от индустрията за бъдещето.

Какво е ултравиолетова литография?

В основата си, литографията при производството на чипове е подобна на фотография върху силиций . Силициевата пластина се покрива със светлочувствителен материал (фоторезист), а машина използва фокусирана светлина, за да проектира сложни схеми върху тази пластина чрез маска, наподобяваща шаблон. Шарките съответстват на миниатюрните транзистори и окабеляване, които изграждат един микропроцесор. Където светлината попада, тя химически променя резиста, така че тези области могат да бъдат гравирани или обработени, докато покритите зони остават защитени. Чрез повтаряне на този процес слой по слой с изключителна прецизност, производителите на чипове изграждат сложната архитектура на съвременната интегрална схема.

Ключът към резолюцията в този „печатен“ процес е дължината на вълната на светлината. Както по-фината четка позволява на художника да рисува по-малки детайли, така и по-късата дължина на вълната на светлината позволява на производителите на чипове да гравират по-фини елементи. В продължение на десетилетия полупроводниковата индустрия последователно се стреми към по-къси дължини на вълната в електромагнитния спектър, за да отпечатва все по-малки транзистори ^[5]. Ранните чипове през 60-те години използват видима и дълговълнова ултравиолетова светлина (g-линия при 436 nm, i-линия при 365 nm), но през 90-те години най-съвременните технологии преминават към дълбокия ултравиолет с мощни ексимерни лазери при 248 nm (KrF) и по-късно 193 nm (ArF)^[6]. Светлината при 193 nm – около 1/5 от дължината на вълната на видимата светлина – се превръща в основен инструмент за производство на чипове през 2000-те и 2010-те години. Тази дълбока UV (DUV) литография позволява минимални елементи с размери около ~50 nm и по-малки, особено след въвеждането на техники като имерсионни лещи и многократни експонации ^[7]. Всъщност, „ексимерна лазерна литография“ при 248 nm и 193 nm е толкова успешна, че движи закона на Мур за около две десетилетия, позволявайки размерите на транзисторите да продължат да намаляват, а плътността на чиповете да се удвоява по график ^[8].

Въпреки това, към края на 1990-те и началото на 2000-те инженерите вече знаеха, че се доближават до границата на дължината на вълната с 193 nm светлина ^[9]. За да се моделират елементи много по-малки от ~40–50 nm, литографията с 193 nm трябваше да прибягва до все по-сложни методи: екзотични оптични трикове, многократно експониране (експониране на един и същ слой няколко пъти с изместени маски за постигане на по-фина ефективна стъпка), и други хитри заобиколни решения ^[10], ^[11]. Тези техники удължиха живота на DUV инструментите (всъщност, производителите на чипове разтегнаха 193 nm чак до възли, рекламирани като 10 nm или дори 7 nm, използвайки двойно, тройно или четворно експониране), но за сметка на огромна сложност, по-нисък добив и стремително нарастващи производствени разходи. До средата на 2010-те беше ясно, че традиционният DUV се затруднява да продължи напред – индустрията имаше нужда от скок към по-къса дължина на вълната на светлината, за да поддържа закона на Мур ^[12].

Дълбоко ултравиолетова (DUV) литография: Работният кон

Дълбоко UV литография (с използване на ~248 nm и 193 nm лазери) е водещата технология за производство на чипове в продължение на много поколения. DUV инструментите по същество са изключително прецизни проектиращи изображения системи: те насочват UV лазер през фотомаска с шарка и серия от редуциращи лещи, за да проектират миниатюризиран образ върху силициевата пластина. Съвременните 193 nm системи дори запълват разстоянието между лещата и пластината с ултра-чиста вода (иммерсионна литография), за да увеличат ефективно числовата апертура на лещата и да разрешат по-малки елементи ^[13]. Използвайки тези методи, 193 nm иммерсионна литография стана способна да отпечатва елементи далеч под номиналната си дължина на вълната – но само чрез използване на техники за повишаване на разделителната способност и многократни експонации. Например, преди появата на EUV, водещите чипове на 7 nm възел се реализираха с DUV чрез четири отделни стъпки на маскиране за един слой (четворно експониране) – изключително сложна задача за прецизно подравняване.

DUV литографията е силно зряла и надеждна. DUV инструментите на компании като ASML, Nikon и Canon все още обработват по-голямата част от слоевете в производството на чипове днес (дори и в най-модерните фабрики само най-критичните слоеве използват EUV, докато по-малко критичните слоеве продължават да се експонират с множество DUV експозиции). Тези машини също са значително по-евтини от най-новите EUV инструменти – топ имерсионен DUV скенер може да струва около $50–$100 милиона, докато един EUV инструмент струва над $150 милиона ^[14]. В резултат на това DUV инструментите остават незаменими не само за чипове от по-старо поколение (където размерите на елементите са по-големи и по-лесни за отпечатване), но и като допълнение към EUV в напреднали процеси. Всъщност, продажбите на DUV все още съставляват по-голямата част от доставените единици литографско оборудване всяка година ^[15]. Производителите на чипове разполагат с огромна инсталирана база DUV скенери и богат опит в използването им.

Въпреки това, въпреки продължаващите усъвършенствания, 193 nm DUV достигна фундаментален лимит по отношение на това колко по-малко може да стане без непосилен труд. Практическата резолюция в оптичната литография следва приблизително критерия на Рейли: минимален размер на елемента ≈ k₁ · (λ/NA), където λ е дължината на вълната, а NA е апертурата на лещата. При λ фиксирана на 193 nm и NA максимално около 1.35 (имерсионна), производителите на чипове изстискаха k₁ до теоретичните му граници чрез изчислителни трикове – но за да продължи намаляването на размера на елементите, самата λ трябваше да се намали. Около 2019 г. водещи фабрики като TSMC и Samsung търговски въведоха нов източник на литографска светлина с дължина на вълната 13.5 nm – почти 15 пъти по-къса от 193 nm на DUV ^[16]. Това даде началото на ерата на екстремната ултравиолетова литография.

Преходът към екстремна ултравиолетова (EUV) литография

Екстремната ултравиолетова литография (EUV) използва значително по-късовълнова светлина – 13,5 nm, на границата между UV и рентгеновите лъчи – за експониране на чипове. Чрез преминаване към този много по-фин „четка“, EUV може да отпечатва много по-малки транзистори и елементи с едно експониране, избягвайки много от сложните стъпки на многократно моделиране, необходими при DUV за напреднали възли ^[17]. На практика, EUV литографията позволи масово производство на чипове при технологичните поколения 7 nm, 5 nm и 3 nm, с много по-малко процесни стъпки и по-добри добиви в сравнение с изцяло DUV подход. Например, тайванската TSMC използва EUV върху няколко критични слоя, започвайки с процеса си 7 nm+ (N7+) през 2019 г. – първият комерсиален процес, използващ EUV ^[18] – и след това широко за своите 5 nm възли, които захранват процесори като Apple A15 и A16 Bionic за смартфони ^[19]. Samsung по подобен начин започна масово производство с EUV в началото на 2019 г. по процеса си 7LPP и оттогава използва EUV за 5 nm и дори при производството на памет^[20], ^[21]. Тези стъпки бяха преломни: използвайки 13,5 nm светлина, производителите на чипове можеха да отпечатват елементи с единично моделиране, които преди това изискваха множество DUV преминавания, опростявайки производството и позволявайки по-плътно подреждане на транзисторите от всякога досега^[22].

Въпреки това, EUV литографията не беше лесна революция. Бяха необходими над две десетилетия изследвания и ~9–10 милиарда долара за научноизследователска и развойна дейност, за да стане EUV приложима за масово производство ^[23]^[24]. Предизвикателствата бяха огромни, защото светлината с дължина на вълната 13,5 nm се държи много различно от тази с 193 nm. На първо място, няма материал, който да е прозрачен при 13,5 nm – не могат да се използват рефракционни лещи или конвенционални стъклени маски. Вместо това, EUV системите използват изцяло огледална оптична система: серия от прецизно изработени многослойни огледала със специални покрития, които отразяват светлина с дължина 13,5 nm (всяко огледало отразява само част от светлината, така че при множество огледала интензитетът намалява драстично) ^[25]. Фотомаската също е отразяващ огледален субстрат, а не прозрачна стъклена плоча. Всичко това трябва да работи във вакуум (въздухът би абсорбирал EUV). Накратко, EUV скенерите са пълно преработване на оптичната система в сравнение с DUV инструментите, включващо екзотична оптика и изключителна прецизност.

Тогава идва и източникът на светлина: как изобщо се генерира високоинтензивна 13,5 nm ултравиолетова светлина? Отговорът звучи като научна фантастика: EUV инструментите създават светлина, като изстрелват импулсен високомощен лазер към миниатюрни капки разтопено калай, 50 000 пъти в секунда ^[26], ^[27]. Всеки лазерен импулс изпарява калайна капка в изключително гореща плазма, която излъчва EUV радиация – по същество миниатюрен взрив, подобен на звезда, случващ се вътре в машината. Тези плазмени проблясъци произвеждат желаната 13,5 nm светлина заедно с много друга нежелана радиация и отпадъци, така че системата трябва да филтрира и събира правилната дължина на вълната и да защити всичко останало. EUV светлината след това се фокусира от огледалната оптика и се насочва върху вафлата в определени шарки. Това е изключително неефективен процес по отношение на генерирането на светлина (голяма част от енергията се губи като топлина), поради което лазерът, захранващ източника, трябва да бъде изключително мощен. Източникът на светлина на EUV скенер може да консумира от порядъка на >1 мегават мощност, за да осигури достатъчен EUV фотонен поток за масово производство ^[28]. За сравнение, 193 nm ексимерен лазер използва само малка част от тази мощност. Това обяснява защо EUV инструментите имат огромни изисквания за мощност и охлаждане, и защо алтернативни техники като наноимпринт литография (която изобщо не използва лазери) рекламират енергоспестяване от ~90% ^[29].

Сложността не свършва дотук. Тъй като EUV фотоните са толкова енергийни, те могат да предизвикат фини стохастични ефекти във фоторезиста (случайни вариации, които могат да причинят дефекти, ако не бъдат овладени), а EUV маските не могат лесно да бъдат защитени с обичайните пеликли (разработването на специални EUV пеликли беше още едно многогодишно усилие). Всеки елемент от системата – от вакуумните етапи, през шестстепенните позиционери на вафлата, движещи се с метри в секунда, до инспекцията за дефекти на тези многослойни огледала – изтласка границите на инженерството. „Това е много трудна технология – по отношение на сложността вероятно е в категорията на Манхатънския проект,“ коментира директорът по литографията на Intel, илюстрирайки колко предизвикателно е било разработването на EUV ^[30].

В продължение на много години много експерти се съмняваха, че EUV някога ще проработи навреме. Основните играчи Nikon и Canon се отказаха от изследванията върху EUV след като се сблъскаха с твърде много пречки, оставяйки ASML (Нидерландия) като единствената компания, която продължи да развива технологията^[31]^[32]. Залогът на ASML в крайна сметка се изплати – но не без помощ. През 2012 г., осъзнавайки стратегическото значение на EUV, големите производители на чипове Intel, TSMC и Samsung съвместно инвестираха около 4 милиарда долара в ASML, за да ускорят развитието на EUV ^[33]. До 2017 г. ASML най-накрая представи готов за производство EUV скенер (модел NXE:3400B), а до 2019 г. първите комерсиални чипове, произведени с EUV, вече излизаха на пазара ^[34]^[35]. Наблюдателите в индустрията го определиха като повратен момент – дългоочакваната EUV революция пристигна точно навреме, за да удължи пътната карта на полупроводниковата индустрия. Както отбелязва MIT Technology Review, EUV инструментът на ASML е „жадувано устройство… използвано за създаване на микрочипови елементи с размери до 13 нанометра… съдържа 100 000 миниатюрни механизми… необходими са четири самолета 747, за да се достави един на клиент“ ^[36]. Накратко, EUV скенерите са чудеса на съвременното инженерство, които използват ултравиолетова светлина в мащаб и сложност, невиждани досега.

Защо UV литографията е важна за микропроцесорите

Печалбата от цялата тази сложност е ясна: по-малки транзистори и по-висока производителност на чиповете. Чрез отпечатване на по-фини елементи, производителите на чипове могат да поберат повече транзистори в същата площ (което обикновено означава повече изчислителна мощност или по-ниска цена на чип) и да намалят електрическите капацитети и разстоянията, които сигналите трябва да изминат (което означава по-бързи скорости на превключване и по-ниска консумация на енергия). Това е същността на Закона на Мур – намаляване на размерите на транзисторите, за да се поберат повече във всяко поколение чипове – а литографията е основният двигател на този напредък ^[37], ^[38]. Когато чуете за нов чип за смартфон, произведен по „3 nm процес“ или сървърен процесор по „5 nm EUV технология“, тези числа до голяма степен отразяват възможностите на напредналата литография да дефинира изключително малки елементи (макар че имената на възлите са донякъде маркетингови, те корелират с подобренията в плътността, които EUV направи възможни).

Значението на ултравиолетовата литография може би се илюстрира най-добре, ако се замислим какво би станало без тези постижения. Ако индустрията беше останала само с 193 nm DUV, производителите на чипове може би щяха да намерят начини да правят много мощни чипове – но щяха да са нужни толкова много повтарящи се процеси (и усложнения, които намаляват добива), че разходите биха скочили, а напредъкът би се забавил драстично. Всъщност, около средата на 2010-те, някои предвиждаха скорошния край на Закона на Мур, защото оптичната литография достигаше своите граници. EUV се появи точно навреме, за да даде нова възможност. Чрез възстановяване на по-простото еднократно експониране на водещия ръб, EUV разшири пътната карта за скалиране поне за още няколко поколения. Много от най-напредналите чипове днес дължат съществуването си на EUV. Например, най-новите процесори за смартфони от серията A и чиповете за Mac от серията M на Apple се произвеждат от TSMC с помощта на 5 nm EUV процеси, което позволява транзисторен брой от десетки милиарди и големи скокове в скоростта и ефективността спрямо предишните поколения ^[39]. Процесорите и графичните карти Ryzen на AMD, много от които се произвеждат по 7 nm или 5 nm EUV възли на TSMC, също се възползват от по-високата плътност и енергоспестяването. Дори най-новите AI ускорители и процесори за центрове за данни – тези, които захранват мащабни AI модели – разчитат на EUV-базирани 5 nm/4 nm процеси, за да поберат плътно матрични изчислителни блокове и да управляват топлината и енергията.

Не става дума само за логически чипове. Памет чипове също извличат ползи от напредъка в UV литографията. Производителите на високопроизводителна DRAM започнаха да използват EUV за определени критични слоеве в най-новите си поколения (например DRAM на Samsung от 14 nm клас използва EUV на няколко слоя), за да увеличат плътността на битовете и да подобрят добивите ^[40]. Micron също въвежда EUV в следващия си DRAM възел. Повече EUV слоеве в паметта означават повече гигабита съхранение на чип и по-ниска цена на бит, което в крайна сметка означава повече памет във вашите устройства за същата цена. Всъщност, изпълнителният директор на ASML Питър Венинк посочи, че нарастващото търсене на AI и данни кара производителите на памет да приемат EUV бързо – „DRAM производителите използват повече EUV слоеве на текущи и бъдещи възли“, отбеляза той, което увеличава търсенето на тези инструменти в цялата индустрия ^[41].

Накратко, UV литографията пряко влияе върху възможностите на микропроцесорите. Възможността за изработване на по-малки транзистори не само позволява да се поберат повече ядра или повече кеш на един чип, но може и да намали енергията, необходима за превключване на всеки транзистор. Затова всяко ново поколение процеси често носи 15–30% увеличение на производителността и 20–50% намаление на енергопотреблението при същия дизайн, или алтернативно позволява удвояване или повече на плътността на транзисторите. Например, преминаването на TSMC от 7 nm (предимно DUV) процес към 5 nm (EUV) осигури около 1,8× увеличение на логическата плътност и ~15% увеличение на скоростта при същата мощност ^[42]. Тези подобрения се превръщат в по-бързи смартфони, по-ефективни центрове за данни и пробиви във високопроизводителните изчисления. Ултравиолетовата литография е невидимата ръка, която извайва тези подобрения в силиция. Както обобщи един директор на индустриални изследвания: „Без EUV наистина не можеш да направиш никакви водещи процесори“^[43] – толкова е критично за поддържането на темпото на прогреса.

Съвременно състояние и основни играчи

Към 2025 г. ултравиолетовата литография е в основата на всяка модерна фабрика за чипове, и е доминирана от няколко ключови играча и технологии. Ето поглед към настоящия пейзаж и основните сили, които го движат:

ASML (Нидерландия) – Ключовият играч в литографията. ASML е единственият доставчик на EUV литографски системи в световен мащаб ^[44]. В края на 2010-те години тя стана първата (и единствена) компания, която комерсиализира EUV скенери, след като конкурентите се отказаха ^[45]. Нейните EUV инструменти (всеки на стойност около 150–180 милиона долара ^[46], ^[47]) се използват от всеки водещ производител на чипове. ASML произвежда и DUV скенери (където се конкурира с Nikon/Canon за пазарен дял). Благодарение на EUV, ASML се превърна в една от най-ценните компании за полупроводниково оборудване в света – като по същество държи монопол върху най-напредналата литографска технология. Една модерна фабрика може да се нуждае от 10–20 EUV машини на ASML, което представлява инвестиция за няколко милиарда долара. Към 2021 г. над 100 EUV инструмента вече са били внедрени ^[48], а този брой продължава да расте, тъй като TSMC, Samsung и Intel разширяват използването на EUV. (Забележително е, че експортният контрол в момента не позволява на ASML да продава EUV машини на Китай, поради тяхното стратегическо значение ^[49].)
TSMC (Тайван) – Пионер във Foundry производството с EUV. TSMC е най-големият в света производител на чипове по договор и беше първата компания, която внедри EUV в масовото производство (нейният 7nm+ “N7+” възел през 2019 г. беше първият в индустрията EUV процес) ^[50]. Оттогава TSMC използва широко EUV за своето 5 nm поколение (2019–2020) и 4 nm/3 nm възли, произвеждайки чипове за Apple, AMD, Nvidia и много други с водещи в света добиви. Използвайки EUV на редица критични слоеве, TSMC постигна увеличения на плътността, които определят тези възли. Лидерството на TSMC в ранното овладяване на EUV е основна причина да изпревари Intel в технологиите на процесите през последните години. В бъдеще TSMC планира да продължи да използва настоящия EUV (0.33 NA) през своите 3 nm и дори 2 nm възли, и оценява следващото поколение EUV за по-нататък ^[51]. (Интересно е, че TSMC е посочила, че може да не бърза да приеме първите High-NA EUV инструменти за своите процеси от ерата на 2 nm около 2027–2028 г., предпочитайки да изчака, докато икономиката стане изгодна ^[52].)
Samsung (Южна Корея) – Пионер в паметта и логиката. Samsung бързо възприе EUV за логически чипове, обявявайки 7 nm EUV производство още през 2019 г. (нейните Exynos мобилни процесори и някои Qualcomm Snapdragon чипове използваха тези). Samsung също така беше пионер в използването на EUV в паметта, ставайки първата компания, която използва EUV в производството на DRAM (за своя 1z-nm DRAM възел) и в наслояването на V-NAND ^[53]. EUV-способната фабрика на Samsung в Хвасонг е пример за подражание, а компанията продължава да инвестира в EUV както за foundry бизнеса си, така и за бизнеса с памети. Подобно на TSMC, Samsung е клиент на предстоящия High-NA EUV на ASML, въпреки че според доклади Samsung все още не е финализирала кога ще въведе тези инструменти в производството ^[54]. Междувременно, настоящите водещи процеси на Samsung (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around транзистори) всички използват EUV за намаляване на стъпките по маскиране. Samsung все още произвежда много чипове с DUV и по-стари инструменти, но за водещите технологии е изцяло насочена към EUV.
Intel (САЩ) – Състезание за връщане на върха. Intel, дълго време лидер в литографията, срещна забавяния при 10 nm възела си (който използваше усъвършенстван DUV мулти-патернинг) и затова изостана в приемането на EUV. Но оттогава компанията инвестира сериозно, за да навакса. Най-новите процесни поколения на Intel (маркирани като „Intel 4“, „Intel 3“, приблизително еквивалентни на ~7 nm и ~5 nm клас) използват EUV литография за множество слоеве – например Intel 4 прилага EUV при производството на предстоящите процесори Meteor Lake на компанията ^[55]. Intel също беше ранен инвеститор в ASML и си осигури приоритетен достъп до High-NA EUV машините на ASML: през 2023 г. получи първия в света High-NA EUV инструмент (EXE:5000 серия) за НИРД и се очаква да получи първия производствен High-NA инструмент (EXE:5200) до 2024–2025 г. ^[56], ^[57]. Intel планира да използва тези High-NA EUV скенери за своите 1.8 nm и 14Å-генерационни възли (~2027 г.) като част от амбициозната си пътна карта за възвръщане на лидерството в процесите ^[58], ^[59]. С ново ръководство на изпълнителния директор, Intel открито рекламира приемането на EUV и дори услуги като foundry, използвайки EUV за производство на чипове за други компании в близко бъдеще.
Nikon и Canon (Япония) – Ветерани в DUV, изследващи алтернативи. Nikon и Canon някога бяха доминиращи доставчици на литографско оборудване (през 90-те години особено Nikon водеше при най-модерните степери). Те продължават да произвеждат DUV литографски инструменти – всъщност, в продължение на много години Nikon доставяше машини на Intel и производителите на памет. Но нито една от двете компании не предостави EUV решение: и двете се оттеглиха от разработката на EUV след изследванията в началото на 2000-те, отстъпвайки този пазар на ASML ^[60]. Днес Nikon все още продава 193 nm имерсионни скенери за масово производство (особено използвани в неводещи фабрики или като допълващи инструменти), докато Canon се е фокусирала върху специализирани ниши като наноимпринт литография (NIL). Новите NIL машини на Canon се опитват механично да „щамповат“ чип модели и твърдят, че са с порядък по-ниска цена и 90% по-ниска консумация на енергия от EUV инструментите^[61]^[62]. Canon започна да доставя първите си NIL инструменти за изпитване през 2024 г. ^[63]. Някои виждат NIL като потенциално разрушителна технология за определени приложения (може да се използва заедно с конвенционалната литография за по-прости слоеве или памет устройства), но все още не е доказана за масово производство на най-висока плътност логически чипове ^[64]. Засега Nikon и Canon остават значими в DUV пространството (и за по-стари възли), но ASML има ефективен монопол върху напредналата литография, необходима за най-модерните микропроцесори.
Амбициите на Китай – Наваксване на изоставането под ограничения. Китай, който е дом на големи чип фабрики като SMIC, в момента няма достъп до EUV технология – ASML никога не е имала разрешение да продава EUV скенери на Китай поради експортни ограничения, наложени от САЩ cnfocus.com. Дори продажбите на най-новите DUV имерсионни инструменти на ASML за Китай вече подлежат на лицензиране от холандското правителство от 2023 г. насам ^[65]. Това подтикна китайските усилия за разработване на собствена литография. Водещата китайска компания за литографско оборудване, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), по сведения е изградила машини, способни на 90 nm и 28 nm DUV литография, но все още нищо близко до EUV (EUV включва огромна екосистема от патенти и сложни физични проблеми). В резултат на това китайски фабрики като SMIC са успели да произведат чип, подобен на 7 nm, използвайки по-стара DUV многократна експонация, но остават няколко поколения назад от водещия ръб, който изисква EUV. Глобалните пазарни тенденции са дълбоко преплетени с геополитиката: литографските инструменти се превръщат в стратегически актив. През 2024 г. продажбите на ASML за Китай (предимно DUV инструменти) са около 7 милиарда долара ^[66], но бъдещият растеж е несигурен поради затягане на експортния контрол. Междувременно търсенето на други места е във възход, така че ASML прогнозира, че бизнесът им с EUV ще скочи с ~30% през 2025 г., въпреки потенциалните пречки от Китай ^[67], ^[68].

Предизвикателства и скорошни постижения

Докато ултравиолетовата литография позволява забележителен напредък, тя също така среща значителни предизвикателства, които движат непрекъснати иновации. Ето някои ключови проблеми и скорошни постижения, които ги адресират:

Цена и сложност на инструментите: Цената на EUV скенерите (~150 милиона долара или повече за всеки) и тяхната изключителна сложност повишават бариерата за навлизане за производителите на чипове ^[69]. Само няколко компании могат да си позволят големи паркове от тези инструменти. За да оправдаят разходите, фабриките трябва да имат висока натовареност и висок добив. Напредък: Следващото поколение High-NA EUV инструменти са още по-скъпи (над 300 милиона долара за всеки) ^[70], но обещават по-голям капацитет и резолюция, което потенциално намалява цената на транзистор. Освен това, усилията в машинното обучение и изчислителната литография помагат да се максимизира производителността на всеки инструмент (чрез подобряване на точността на шаблона и технологичните прозорци).
Производителност (скорост на скенера): Ранните EUV инструменти обработваха по-малко пластини на час в сравнение с DUV еквивалентите си, отчасти поради ограничена мощност на източника и по-деликатна оптика. Ниската производителност означава по-ниска продуктивност на фабриката. Напредък: Мощността на EUV източниците се е подобрила значително (днешните източници надвишават 250 W, спрямо ~125 W при първите производствени инструменти), а най-новите EUV скенери на ASML могат да експонират ~160 пластини/час при оптимални условия. Предстоящите High-NA EUV системи ще имат преработена оптика с по-голяма числова апертура 0.55 срещу 0.33, което подобрява резолюцията, но първоначално намалява размера на полето. За компенсация, ASML проектира тези инструменти да достигнат ~185 пластини/час производителност. Всъщност, ASML току-що достави първия си High-NA EUV модел (EXE:5200) през 2025 г. и твърди, че ще осигури 60% увеличение на продуктивността спрямо сегашните EUV инструменти – приблизително 175 пластини/час, което е сравнимо с DUV скенерите ^[71].
Дефекти и добив: Тъй като EUV използва рефлективни маски и работи в наноразмери, контролът на дефектите е огромно предизвикателство. Малки дефекти по маската или частици могат да се отпечатат върху пластината, а EUV фоторезистите и процесът могат да проявят случайни дефекти (стохастични проблеми), ако не са оптимизирани. Напредък: Индустрията разработи защитни пеликли за маски за EUV (за да държат частиците далеч от маската) след много итерации. Химията на фоторезистите също се развива – нови материали за резисти и техники за подслой подобряват чувствителността и грапавостта на ръба на линията. Производителите на чипове съобщават, че първоначалните проблеми с добива при EUV до голяма степен са преодолени, а нивата на дефекти са сравними с предишните възли ^[72]. Въпреки това, изследователите продължават да усъвършенстват технологиите за резисти и маски (включително изследване на метал-оксидни резисти и други нови подходи за EUV).
Консумация на енергия: Както беше споменато, EUV скенерите са енергоемки – всеки от тях може да консумира от порядъка на мегават електричество между лазерния източник, вакуумните помпи и охладителните системи ^[73]. Това допринася за значителните оперативни разходи и увеличава екологичния отпечатък на фабриките. Напредък: Алтернативни методи за литография като Nanoimprint целят драстично намаляване на енергопотреблението (Canon твърди 90% по-ниска консумация на енергия) ^[74]. В рамките на самия EUV инженерите се стремят към по-ефективни източници (напр. по-висока ефективност на преобразуване на лазерната енергия в EUV светлина), така че бъдещите инструменти да произвеждат повече светлина с по-малко входяща енергия. Дори малки подобрения в ефективността на източника или отражателната способност на огледалата могат да доведат до значителни икономии на енергия при обработката на хиляди вафли.
Ограничения на оптичната резолюция: Дори EUV при 13,5 nm в крайна сметка ще достигне границите на скалиране. Настоящите EUV инструменти (0,33 NA) могат спокойно да правят шарки с ~30 nm стъпка; отвъд това ще са необходими многократно експониране или High-NA EUV за ~2 nm възел и по-надолу. Напредък: High-NA EUV е по същество следващата голяма стъпка – чрез увеличаване на NA на лещата до 0,55 с нов оптичен дизайн (който, забележете, изисква нов 6-инчов размер на маската и изцяло нова платформа за инструменти), тези системи ще могат да разрешават елементи с ~30–40% по-малки размери ^[75]. ASML казва, че High-NA EUV може почти да утрои плътността на транзисторите в чиповете, като позволи по-фини елементи и по-тесни стъпки ^[76]. Първите High-NA EUV инструменти се очаква да бъдат използвани пилотно от Intel около 2025–2026 г., с цел масова употреба около ~2028 г. ^[77]. Това разширение трябва да отведе индустрията през 2 nm, 1,5 nm и 1 nm възлите (въпреки наименованията, това ще включва стъпки на елементите в ниските десетки нанометри). След това може да са необходими други подходи (като концепциите “Beyond EUV” при още по-къси дължини на вълната или революционни методи за експониране).
Алтернативни литографски техники: Концентрацията на критичните литографски възможности в една компания (ASML) и една технология (EUV) предизвика интерес към алтернативни или спомагателни техники. Напредък: Освен NIL на Canon, се работи върху Directed Self-Assembly (DSA) – използване на специални материали, които спонтанно формират много фини шарки и могат да допълват литографията за определени структури. Друг подход е мултифотонна или квантова литография, която все още е предимно академична. Е-лъчева литография (директно писане с електронни лъчи) се използва за изработка на маски и прототипиране, но е твърде бавна за масово производство. Въпреки това, компании изследват многолъчеви е-лъчеви инструменти за нишово моделиране. Ако тези алтернативи се усъвършенстват, един ден биха могли да намалят натоварването върху оптичната литография или да намалят разходите за някои слоеве. Засега те са „добре е да ги има“ изследвания, докато оптичната UV литография остава незаменимата основа.

Експертни мнения и бъдещи перспективи

Консенсусът сред индустриалните експерти е, че ултравиолетовата литография ще остане ключовият елемент в производството на чипове в обозримо бъдеще, макар и с продължаваща еволюция. „Ние продължаваме да инженерстваме и развиваме… има стръмна крива на учене за нас и нашите клиенти,“ каза говорител на ASML относно внедряването на High-NA EUV, подчертавайки, че всяка нова стъпка (като High-NA) изисква обширно фино настройване ^[78]. Анализаторите също предупреждават, че рентабилността ще ръководи приемането: „Докато някои производители на чипове може да въведат [High-NA EUV] по-рано, за да спечелят технологично лидерство, повечето няма да го приемат, докато това не стане икономически оправдано,“ отбелязва Джеф Кох от SemiAnalysis, прогнозирайки, че повечето ще изчакат до около 2030 г., когато предимството оправдава разходите^[79]. В отговор, изпълнителният директор на ASML Питър Венинк настоява, че High-NA ще докаже стойността си по-скоро: „Всичко, което виждаме с клиентите, е, че High-NA е по-евтино [за тях]“ за постигане на следващото ниво на мащабиране ^[80]. Тази оптимистична гледна точка подсказва, че с нарастването на сложността по-усъвършенстваната литография може всъщност да намали общите разходи, като елиминира допълнителни процесни стъпки.

Не може да се подцени централната роля на ASML – факт, който не убягва на правителствата. В свят, в който най-модерните чипове дават икономически и военни предимства, литографското оборудване се е превърнало в стратегически актив. Холандското правителство (с подкрепата на САЩ) строго е ограничило износа на ASML на усъвършенствани инструменти за Китай ^[81], ход, насочен към „осуетяване на полупроводниковите амбиции на Пекин“^[82]. Това доведе до разделяне на световната верига за доставки на чипове: най-модерните логически чипове в момента се произвеждат само на няколко места (Тайван, Южна Корея и скоро САЩ чрез фабриките на TSMC/Intel), всички използващи EUV машините на ASML. Китай инвестира сериозно, за да навакса при по-старите възли и да развие собствена литография, но експерти изчисляват, че може да отнеме много години, за да се доближи до равенство, ако изобщо е възможно, предвид сериозните бариери в знанията и интелектуалната собственост.

Междувременно, търсенето на UV литографски инструменти нараства в крак с бума на полупроводниците. Ръстът на изкуствения интелект и високопроизводителните изчисления кара водещите фабрики да разширяват капацитета си. Поръчките на ASML за EUV инструменти достигнаха рекордни нива – в един скорошен тримесечен период поръчките скочиха до 10 милиарда долара, основно за бъдещи EUV и High-NA системи ^[83]. Компанията прогнозира, че приходите, свързани с EUV, ще скочат с ~40–50% през 2025 г. ^[84], което ще помогне за увеличаване на общите продажби въпреки по-слабото търсене от страна на паметта или Китай ^[85]. С други думи, пазарът на най-модерната литография е стабилен и растящ, като ASML очаква да доставя десетки нови EUV устройства всяка година. До 2030 г. High-NA EUV вероятно ще се разпространи, а разговорите ще се насочат към това, което ще последва след ерата на EUV.

Какво може да последва? Някои изследователи говорят за „Отвъд EUV“ – може би използване на още по-къси дължини на вълната в диапазона на меките рентгенови лъчи (~6–8 nm) или електронна/йонна проекционна литография – но всеки от тези пътища е изправен пред сериозни физични предизвикателства. Засега стратегията на индустрията е да извлече максимума от EUV: първо чрез внедряване на High-NA EUV за още 1–2 поколения миниатюризация, и чрез комбиниране на EUV с интелигентна процесна интеграция (като чиплет архитектури и 3D подреждане, които намаляват нуждата от монолитна 2D миниатюризация). Литографията ще остане комбинация от техники: DUV няма да изчезне (ще се използва заедно с EUV), а нови методи като наноимпринт може да намерят ниша като допълнение към основните процеси, ако докажат себе си. Но всяка радикална промяна далеч от оптичната литография вероятно би изисквала и промяна в парадигмата на проектирането на чипове – нещо, което все още не се вижда на хоризонта за масовото производство.

С думите на председателя на TSMC, Марк Лиу, полупроводниковата индустрия „работи в тунел“ с ясна цел от десетилетия: миниатюризация, миниатюризация, миниатюризация ^[86]. Ултравиолетовата литография е светлината, която води този тунел. Тя започна с живачни лампи и примитивен UV, премина през ексимерни дълбоко-UV лазери, които ни служиха над 20 години ^[87], и сега достигна до ерата на екстремния UV, удължавайки тунела още повече. Пътят беше всичко друго, но не и лесен – белязан от моменти на триумф и чести съмнения – но резултатът е повече от удивителен: милиарди структури, широки само десетки атоми, моделирани безупречно върху големи пластини, позволявайки изчислителни постижения, които изглеждаха невъзможни само едно поколение назад.

Гледайки напред, развитието на микропроцесорите е по-свързано с литографията от всякога. Представянето и възможностите на следващите CPU, GPU и AI ускорители ще се определят до голяма степен от това колко фино и надеждно можем да отпечатаме техните елементи. Ултравиолетовата литография е основният инструмент, който прави това възможно. Експертите от индустрията са оптимисти, че с продължаващи иновации – от High-NA оптика до по-умни софтуери и може би някои нестандартни идеи като NIL или DSA – литографията ще продължи да доставя резултати. Главният изпълнителен директор на ASML дори твърди, че пътната карта за EUV и нейните разширения е стабилна за следващото десетилетие, давайки на производителите на чипове ясен хоризонт за продължаване на подобренията. Глобалните пазарни тенденции показват здравословен растеж и интензивна конкуренция, но и съсредоточаване около няколко ключови технологии и доставчици.

В обобщение, светът на ултравиолетовата литография е синтез на авангардна физика и инженерство с високи залози в икономиката и стратегията. Може да работи в невидимата област на UV светлината, но въздействието ѝ е ярко видимо под формата на все по-мощни микропроцесори година след година. Следващия път, когато чуете за нов пробив в „нанометров“ чип, спомнете си за ултравиолетовата революция, която работи зад кулисите. От дълбок UV до екстремен UV и отвъд, тези технологии наистина оформят бъдещето на микрочиповете – гравирайки следващите редове в историята на човешкия технологичен прогрес, един фотонен проблясък след друг.

Източници

A. Шилов, „Нова техника за производство на чипове чрез ‘щамповане’ използва с 90% по-малко енергия от EUV,“ Tom’s Hardware, 31 януари 2024 tomshardware.com Samsung Newsroom, „Samsung Electronics започва масово производство на новата EUV линия,“ февруари 2020 semiconductor.samsung.com Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), „7nm FinFET Plus (N7+) технология – първата с използване на EUV (2019)“ tsmc.com S&P Global Market Intelligence, „ASML е на прага на възстановяване, подхранвано от AI, тъй като търсенето на EUV и High-NA нараства,“ септември 2023 spglobal.com

How Samsung’s Extreme Ultraviolet unlocks the next generation of chips | Engadget Today

Watch this video on YouTube.

C. Thompson, „Вътре в машината, която спаси закона на Мур,“ MIT Technology Review, 27 октомври 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, „Фотолитография – Съвременните инструменти използват 193 nm дълбоко UV ексимерни лазери“ ^[90]
M. Chaban, „Осветявайки пътя: Как ASML възроди закона на Мур,“ Google Cloud Blog, 28 март 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), „Изследване на бъдещето на EUV литографията и отвъд,“ 4 ноември 2024 ^[93]
T. Sterling, „Intel поръчва система на ASML за над $340 млн. в търсене на предимство в производството на чипове,“ Reuters, 19 януари 2022 ^[94]
T. Sterling, „Следващото предизвикателство на ASML: внедряване на новата ѝ $350 млн. ‘High NA EUV’ машина,“ Reuters, 9 февруари 2024 ^[95]
TrendForce News, „ASML потвърждава първата доставка на High-NA EUV EXE:5200…,“ 17 юли 2025 ^[96]
T. Sterling, „Холандското правителство изключва повечето продажби на ASML за Китай от износната статистика,“ Reuters, 17 януари 2025 ^[97]