Az ultraibolya forradalom: A láthatatlan, 150 millió dolláros gépek, amelyek a mikrochipek jövőjét formálják

Az ultraibolya litográfiai gépek ára darabonként meghaladja a 150 millió dollárt, és akkora méretűek, mint egy busz.
Az iparági megfigyelők a legújabb generációs eszközöket „a gépek, amelyek megmentették Moore törvényét” névvel illetik, mivel ezek teszik lehetővé a modern, élvonalbeli processzorokat.
Az ASML az egyetlen EUV litográfiai rendszerek szállítója, az EUV gépek ára darabonként körülbelül 150–180 millió dollár.
A Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) először 2019-ben alkalmazta tömegesen az EUV-t a 7nm+ (N7+) gyártási eljárásánál.
Az extrém ultraibolya litográfia 13,5 nm-es fényt használ, amelyet úgy állítanak elő, hogy egy nagy teljesítményű lézert óngyöngyökre irányítanak, így plazma keletkezik, amely EUV sugárzást bocsát ki; a gépek energiafelvétele meghaladja az 1 megawattot.
Az ASML 2025-ben szállította le az első High-NA EUV gépet, az EXE:5200-at, amely a numerikus apertúrát 0,55-re emeli, és körülbelül 175 ostya/óra teljesítményt céloz meg.
Az első kereskedelmi EUV chipek 2019-ben jelentek meg, a TSMC 7nm+ (N7+) eljárásával és a Samsung 7LPP-jével, amelyek EUV-t használnak.
Az exportkorlátozások megakadályozzák, hogy az ASML EUV-t adjon el Kínának, miközben 2024-ben az ASML kínai eladásai körülbelül 7 milliárd dollárt tettek ki, főként DUV gépekből.
A Nikon és a Canon visszalépett az EUV fejlesztésétől; a Nikon továbbra is szállít 193 nm-es merülő szkennereket, míg a Canon a nanoimprint litográfiára (NIL) koncentrál, amelyből 2024-ben próbaszállításokat indít.
A Samsung 14 nm-es DRAM-ja több rétegen is EUV-t használ, a Micron pedig a következő DRAM node-jához tervezi az EUV bevezetését.

Minden modern mikroprocesszor – a telefonod chipjétől a felhőalapú AI-t működtető CPU-kig – ultraibolya fény alatt születik. Valójában a Föld legfejlettebb gyártógépei közül néhány láthatatlan ultraibolya lézereket irányít szilícium ostyákra, hogy beleégessék azokat a nanoszkálájú áramköröket, amelyek működtetik a mikrochipeket. Ezek a gépek darabonként 150 millió dollárnál is többe kerülnek, akkorák, mint egy busz, és szinte sci-fi bonyolultsággal működnek – mégis ők a névtelen igáslovak Moore törvénye mögött, és a gyorsabb, kisebb, hatékonyabb processzorok folyamatos fejlődésének hajtóerői ^[1], ^[2]. Az iparági megfigyelők a legújabb generációs eszközöket még „a gépek, amelyek megmentették Moore törvényét” névvel is illetik, mert nélkülük a legmodernebb chipek gyártása gyakorlatilag lehetetlen lenne ^[3]. Ez a jelentés az ultraibolya litográfia világába enged betekintést – mind a hagyományos mély ultraibolya (DUV), mind a legmodernebb extrém ultraibolya (EUV) formájában –, elmagyarázva, hogyan működik, miért ennyire kritikus a mikroprocesszor-fejlesztés szempontjából, és merre tart a jövőben.

Az ultraibolya litográfia talán misztikus mérnöki tudománynak hangzik, de a hatása nagyon is valós és látható a mindennapi életünkben. Azáltal, hogy egyre finomabb tranzisztormintákat nyomtatnak a szilíciumra, a UV-litográfia közvetlenül teszi lehetővé a technológiai ipar figyelemre méltó fejlődési ütemét. Ahogy egy technológiai elemző nyersen fogalmazott: „A Moore-törvény gyakorlatilag szétesik, és e gép nélkül vége. Nem lehet élvonalbeli processzorokat gyártani EUV nélkül.”^[4] Más szóval, a mikrochipek – és minden eszköz és innováció, amit hajtanak – jövője most azon múlik, hogy képesek vagyunk-e kihasználni a fényt apró hullámhosszakon. Az alábbiakban bemutatjuk, hogyan működik ez a fényalapú nyomtatás, hogyan fejlődött a legújabb EUV technológiává, kik a főbb szereplők (a holland ASML szerszámgyártótól a chipóriásokig, mint a TSMC, a Samsung és az Intel), a legújabb áttöréseket (például a következő generációs EUV gépeket és alternatív technikákat), valamint hogy mit mondanak az iparági szakértők a jövőbeli kilátásokról.

Mi az az ultraibolya litográfia?

Lényegében a litográfia a chipgyártásban hasonlít a szilíciumon végzett fényképezéshez. Egy szilíciumostyát fényérzékeny anyaggal (fotoreziszt) vonnak be, és egy gép fókuszált fénnyel vetíti rá a bonyolult áramköri mintákat ezen az ostyán egy sablonszerű maszkon keresztül. A minták megfelelnek azoknak az apró tranzisztoroknak és huzalozásoknak, amelyek egy mikroprocesszort alkotnak. Ahol a fény éri, ott kémiailag megváltoztatja a rezisztet, így ezek a területek marathatók vagy feldolgozhatók, míg a fedett részek védve maradnak. Ezt a folyamatot rétegről rétegre, rendkívüli precizitással ismételve a chipgyártók felépítik a modern integrált áramkörök összetett architektúráját.

A „nyomtatási” folyamatban a felbontás kulcsa a fény hullámhossza. Ahogyan egy finomabb ecset lehetővé teszi a művész számára, hogy kisebb részleteket fessen, úgy egy rövidebb fényhullámhossz lehetővé teszi a chipgyártók számára, hogy finomabb jellemzőket marjanak. Évtizedeken keresztül a félvezetőipar folyamatosan a rövidebb hullámhosszak felé haladt az elektromágneses spektrumon, hogy egyre kisebb tranzisztorokat „nyomtasson” ^[5]. Az 1960-as évek korai chipjei látható és hosszú-UV fényt használtak (g-vonal 436 nm-en, i-vonal 365 nm-en), de az 1990-es évekre a csúcstechnológia átlépett a mély ultraibolya tartományba erős excimer lézerekkel 248 nm-en (KrF), majd később 193 nm-en (ArF) ^[6]. A 193 nm-es fény – ami körülbelül az ötöde a látható fény hullámhosszának – a chipgyártás fő eszközévé vált a 2000-es és 2010-es években. Ez a mély UV (DUV) litográfia lehetővé tette a ~50 nm-es és annál kisebb minimális jellemzők elérését, különösen olyan trükkök bevezetése után, mint az immerziós lencsék és a többszörös expozíciók ^[7]. Valójában a 248 nm-es és 193 nm-es „excimer lézeres litográfia” annyira sikeres volt, hogy mintegy két évtizeden át hajtotta a Moore-törvényt, lehetővé téve a tranzisztorméretek folyamatos csökkentését és a chip-sűrűség ütemezett megduplázódását ^[8].

Az 1990-es évek végére és a 2000-es évek elejére azonban a mérnökök már tudták, hogy közelednek a hullámhossz-falhoz a 193 nm-es fény esetében ^[9]. Ahhoz, hogy ~40–50 nm-nél jóval kisebb struktúrákat mintázzanak, a 193 nm-es litográfiának egyre bonyolultabb módszerekhez kellett folyamodnia: különleges optikai trükkökhöz, többszörös mintázási lépésekhez (ugyanazt a réteget többször exponálva, eltolással, hogy finomabb effektív osztást érjenek el), és más okos megoldásokhoz ^[10], ^[11]. Ezek a technikák meghosszabbították a DUV eszközök élettartamát (valójában a chipgyártók a 193 nm-t egészen a 10 nm-es vagy akár 7 nm-es csomópontokig is kihasználták dupla, tripla vagy négyszeres mintázással), de mindez óriási bonyolultság, alacsonyabb kihozatal és az egekbe szökő gyártási költségek árán történt. A 2010-es évek közepére világossá vált, hogy a hagyományos DUV már nehezen tud tovább fejlődni – az iparágnak ugrásra volt szüksége egy rövidebb hullámhossz felé, hogy a Moore-törvény továbbra is érvényesülhessen ^[12].

Mély ultraibolya (DUV) litográfia: Az igásló

A mély UV litográfia (~248 nm-es és 193 nm-es lézereket használva) generációkon át a chipgyártás igásló technológiája volt. A DUV eszközök lényegében rendkívül precíz vetített képalkotó rendszerek: egy UV lézert világítanak át egy mintázott fotómaszkon és egy sor redukciós lencsén, hogy egy kicsinyített képet vetítsenek a szilícium ostyára. A modern 193 nm-es rendszerek még a lencse és az ostya közötti rést is ultra-tiszta vízzel töltik ki (immerziós litográfia), hogy hatékonyan növeljék a lencse numerikus apertúráját és kisebb struktúrákat tudjanak felbontani ^[13]. Ezekkel a módszerekkel a 193 nm-es immerziós litográfia képessé vált a névleges hullámhosszánál jóval kisebb struktúrák nyomtatására – de csak felbontásnövelő technikák és ismételt expozíciók alkalmazásával. Például, mielőtt az EUV megjelent volna, a legfejlettebb 7 nm-es csomópontú chipeket DUV-val úgy valósították meg, hogy egyetlen réteghez négy külön maszkolási lépést (négyszeres mintázás) alkalmaztak – ami elképesztően bonyolult precíziós igazítási feladat volt.

A DUV litográfia rendkívül kiforrott és megbízható. Az olyan cégek DUV gépei, mint az ASML, a Nikon és a Canon, ma is a chipgyártás rétegeinek többségét kezelik (még a legmodernebb gyárakban is csak a legkritikusabb rétegekhez használnak EUV-t, míg a kevésbé kritikus rétegeket továbbra is többszöri DUV expozícióval készítik). Ezek a gépek ráadásul jelentősen olcsóbbak, mint a legújabb EUV eszközök – egy csúcskategóriás, merülő DUV szkenner ára körülbelül 50–100 millió dollár lehet, míg egy EUV gép 150+ millió dollárba kerül ^[14]. Ennek eredményeként a DUV eszközök nélkülözhetetlenek maradnak nemcsak a régebbi generációs chipekhez (ahol a jellemző méretek nagyobbak és könnyebben nyomtathatók), hanem az EUV kiegészítőjeként is a fejlett gyártási folyamatokban. Valójában a DUV eladások még mindig a litográfiai berendezések éves szállításainak többségét teszik ki ^[15]. A chipgyártók hatalmas DUV szkenner-állománnyal és kiterjedt tapasztalattal rendelkeznek ezek használatában.

Azonban a folyamatos fejlesztések ellenére a 193 nm-es DUV elérte a fizikai határait abban, hogy mennyivel lehet még kisebb méreteket elérni elfogadhatatlan erőfeszítés nélkül. Az optikai litográfia gyakorlati felbontása nagyjából a Rayleigh-kritériumot követi: minimális jellemzőméret ≈ k₁ · (λ/NA), ahol λ a hullámhossz, NA pedig a lencse apertúrája. Mivel a λ rögzítve van 193 nm-en, az NA pedig körülbelül 1,35 (merülő lencse) a maximum, a chipgyártók a k₁-et elméleti határáig szorították különféle számítási trükkökkel – de a további méretcsökkentéshez magát a λ-t kellett csökkenteni. 2019 körül a vezető öntödék, mint a TSMC és a Samsung, kereskedelmi forgalomban is bevezettek egy új litográfiai fényforrást 13,5 nm hullámhosszon – ami majdnem 15× rövidebb, mint a DUV 193 nm-e ^[16]. Ez vezette be a extrém ultraibolya litográfia korszakát.

Az áttérés az extrém ultraibolya (EUV) litográfiára

Az extrém ultraibolya litográfia (EUV) drámaian rövidebb hullámhosszú fényt használ – 13,5 nm-t, az UV és az röntgensugarak határán –, hogy a chipeket exponálja. Az EUV ezzel a sokkal finomabb „ecsettel” képes sokkal kisebb tranzisztorokat és jellemzőket nyomtatni egyetlen expozícióval, elkerülve a DUV-nál fejlett csomópontokon szükséges bonyolult többlépcsős mintázási folyamatokat ^[17]. Gyakorlati szempontból az EUV litográfia lehetővé tette a chipek nagy volumenű gyártását a 7 nm-es, 5 nm-es és 3 nm-es technológiai generációkban, sokkal kevesebb gyártási lépéssel és jobb hozammal, mint egy teljesen DUV-alapú megközelítés esetén. Például a tajvani TSMC néhány kritikus rétegen kezdte el használni az EUV-t a 7 nm+ (N7+) eljárásánál 2019-ben – az első kereskedelmi eljárás, amely EUV-t alkalmazott ^[18] –, majd széles körben alkalmazta az 5 nm-es csomópontjainál, amelyek olyan processzorokat hajtanak meg, mint az Apple A15 és A16 Bionic okostelefon chipek ^[19]. A Samsung hasonlóan tömeggyártást indított EUV-val 2019 elején a 7LPP eljárásán, és azóta az EUV-t alkalmazza az 5 nm-es, sőt a memórichip-gyártásban is^[20], ^[21]. Ezek a lépések sorsfordítónak bizonyultak: a 13,5 nm-es fény használatával a chipgyártók egyszeres mintázású expozíciókkal tudtak olyan jellemzőket nyomtatni, amelyekhez korábban több DUV lépés kellett, egyszerűsítve a gyártást és lehetővé téve a tranzisztorok eddiginél szorosabb elhelyezését^[22].

Azonban az EUV litográfia nem volt egy könnyű forradalom. Több mint húsz évnyi kutatásra és ~9–10 milliárd dollárnyi K+F kiadásra volt szükség ahhoz, hogy az EUV életképes legyen a nagy volumenű gyártásban ^[23]^[24]. A kihívások hatalmasak voltak, mivel a 13,5 nm-es fény nagyon eltérően viselkedik a 193 nm-es fényhez képest. Először is, egyik anyag sem átlátszó 13,5 nm-en – nem lehet törő lencséket vagy hagyományos üvegmaszkokat használni. Ehelyett az EUV rendszerek teljesen tükrös optikai rendszert alkalmaznak: egy sor finoman kialakított többrétegű tükör speciális bevonattal, amely visszaveri a 13,5 nm-es fényt (minden tükör csak a fény egy részét veri vissza, így több tükör esetén az intenzitás drámaian csökken) ^[25]. A fotómaszk is egy visszaverő tükör szubsztrát, nem pedig átlátszó üveglemez. Mindeznek vákuumban kell működnie (a levegő elnyelné az EUV-t). Röviden, az EUV szkennerek teljesen újratervezett optikai rendszert jelentenek a DUV eszközökhöz képest, különleges optikával és extrém precizitással.

Aztán ott van a fényforrás: hogyan lehet egyáltalán nagy intenzitású, 13,5 nm-es ultraibolya fényt előállítani? A válasz sci-fibe illő: az EUV eszközök úgy hoznak létre fényt, hogy egy impulzusos nagy teljesítményű lézert apró, olvadt óncseppekre lőnek, másodpercenként 50 000-szer ^[26], ^[27]. Minden lézerimpulzus egy óncseppet rendkívül forró plazmává párologtat, amely EUV sugárzást bocsát ki – lényegében egy miniatűr, csillagszerű robbanás történik a gépen belül. Ezek a plazmavillanások hozzák létre a kívánt 13,5 nm-es fényt sok más nem kívánt sugárzás és törmelék mellett, ezért a rendszernek szűrnie és gyűjtenie kell a megfelelő hullámhosszt, és mindent mást árnyékolnia kell. Az EUV fényt ezután a tüköroptika fókuszálja és mintázatokban irányítja a szilíciumlapkára. Ez egy rendkívül hatékonytalan folyamat fénykeltés szempontjából (az energia nagy része hővé alakul), ezért kell a fényforrást működtető lézernek elképesztően nagy teljesítményűnek lennie. Egy EUV szkenner fényforrása nagyságrendileg >1 megawatt teljesítményt fogyaszthat, hogy elegendő EUV fotonáramot biztosítson a nagy volumenű gyártáshoz ^[28]. Ezzel szemben egy 193 nm-es excimer lézer ennek csak töredékét használja. Ez magyarázza, hogy az EUV eszközöknek hatalmas energia- és hűtési igényeik vannak, és hogy miért hirdetnek az olyan alternatív technikák, mint a nanoimprint litográfia (amely egyáltalán nem használ lézert) ~90%-os energiamegtakarítást ^[29].

A komplexitás itt nem ér véget. Mivel az EUV fotonok rendkívül energikusak, finom sztochasztikus hatásokat idézhetnek elő a fotorezisztben (véletlenszerű eltérések, amelyek hibákat okozhatnak, ha nem kezelik őket), és az EUV maszkokat sem lehet könnyen a szokásos pelikulákkal védeni (speciális EUV pelikulák kifejlesztése is több éves erőfeszítés volt). A rendszer minden egyes eleme – a vákuumkamráktól kezdve, a másodpercenként métereket mozgó, hat szabadságfokú lapkapozícionálókon át, egészen a többrétegű tükrök hibavizsgálatáig – a mérnöki tudomány határait feszegette. „Ez egy nagyon nehéz technológia – összetettségét tekintve valószínűleg a Manhattan-terv kategóriájába tartozik” – jegyezte meg az Intel litográfiai igazgatója, érzékeltetve, mennyire kihívást jelentett az EUV kifejlesztése ^[30].

Sok éven át számos szakértő kételkedett abban, hogy az EUV valaha is működni fog időben. A főbb szereplők, Nikon és Canon feladták az EUV-kutatást, miután túl sok akadályba ütköztek, így ASML (Hollandia) maradt az egyetlen cég, amely továbbvitte a technológiát^[31]^[32]. Az ASML kockázatvállalása végül kifizetődött – de nem segítség nélkül. 2012-ben, felismerve az EUV stratégiai jelentőségét, a nagy chipgyártók, Intel, TSMC és Samsung közösen körülbelül 4 milliárd dollárt fektettek az ASML-be, hogy felgyorsítsák az EUV fejlesztését ^[33]. 2017-re az ASML végre bemutatta a sorozatgyártásra kész EUV szkennert (NXE:3400B modell), és 2019-re az első, EUV-val készült kereskedelmi chipek is megjelentek ^[34]^[35]. Az iparági megfigyelők ezt mérföldkőnek tekintették – a régóta várt EUV-forradalom éppen időben érkezett, hogy meghosszabbítsa a félvezetőipar fejlődési ütemtervét. Ahogy az MIT Technology Review megjegyezte, az ASML EUV eszköze „egy áhított berendezés… amellyel akár 13 nanométeres mikrochip-alkatrészeket is lehet gyártani… 100 000 apró mechanizmust tartalmaz… egyetlen példány kiszállításához négy 747-es repülőgépre van szükség” ^[36]. Röviden, az EUV szkennerek a modern mérnöki tudomány csodái, amelyek eddig soha nem látott léptékben és összetettséggel alkalmazzák az ultraibolya fényt.

Miért fontos az UV-litográfia a mikroprocesszorok számára

A jutalom mindezért a bonyolultságért egyszerű: kisebb tranzisztorok és nagyobb chip teljesítmény. Finomabb mintázatok nyomtatásával a chipgyártók több tranzisztort tudnak ugyanakkora területre zsúfolni (ami általában nagyobb számítási teljesítményt vagy alacsonyabb chipenkénti költséget jelent), valamint csökkentik az elektromos kapacitásokat és a jelek által megtett távolságokat (ami gyorsabb kapcsolási sebességet és alacsonyabb energiafogyasztást eredményez). Ez a Moore-törvény lényege – a tranzisztorméretek zsugorítása, hogy minden chipgenerációba többet lehessen beépíteni –, és a litográfia ennek az előrehaladásnak az alapvető lehetővé tevője ^[37], ^[38]. Amikor azt hallja, hogy egy új okostelefon chip „3 nm-es eljárással” vagy egy szerver CPU „5 nm-es EUV technológiával” készült, ezek a számok nagyrészt a fejlett litográfia képességeit tükrözik, hogy rendkívül apró mintázatokat hozzanak létre (bár a node nevek részben marketing célúak, mégis összefüggnek az EUV által lehetővé tett sűrűségjavulással).

Az ultraibolya litográfia jelentőségét talán az mutatja be legjobban, ha elképzeljük, mi történt volna ezek nélkül a fejlesztések nélkül. Ha az iparág csak a 193 nm-es DUV-nál maradt volna, a chipgyártók talán még mindig képesek lettek volna nagyon erős chipeket készíteni – de annyi ismétlődő feldolgozási lépésre (és hozamcsökkentő bonyolultságra) lett volna szükség, hogy a költségek az egekbe szöktek volna, és a fejlődés drámaian lelassult volna. Valóban, a 2010-es évek közepén néhányan a Moore-törvény közelgő végét jósolták, mert az optikai litográfia elérte a határait. Az EUV éppen időben érkezett, hogy új életet adjon a fejlődésnek. Azáltal, hogy visszaállította az egyszerűbb, egyetlen expozíciós mintázatkészítést az élvonalban, az EUV meghosszabbította a zsugorítási ütemtervet legalább néhány további generációra. A mai legfejlettebb chipek közül sok az EUV-nek köszönheti a létét. Például az Apple legújabb A-sorozatú okostelefon processzorait és M-sorozatú Mac chipjeit a TSMC 5 nm-es EUV eljárással gyártja, ami tízmilliárdos tranzisztorszámot és jelentős sebesség- és hatékonyságnövekedést tesz lehetővé az előző generációkhoz képest ^[39]. Az AMD Ryzen CPU-k és GPU-k, amelyek közül sokat szintén a TSMC 7 nm-es vagy 5 nm-es EUV node-jain gyártanak, szintén élvezik a sűrűség növekedését és az energia-megtakarítást. Még a legmodernebb AI gyorsítók és adatközpont processzorok – amelyek a nagyszabású AI modelleket működtetik – is EUV-alapú 5 nm/4 nm-es eljárásokra támaszkodnak, hogy sűrűn csomagolják a mátrix-matematikai egységeket és kezeljék a hőtermelést.

Nem csak a logikai chipekről van szó. A memórialapkákat is előnyösen érintik az UV-litográfia fejlődései. A nagy teljesítményű DRAM gyártói elkezdték alkalmazni az EUV-t bizonyos kritikus rétegeken a legújabb generációikban (például a Samsung 14 nm-es DRAM-ja több rétegen is használ EUV-t), hogy növeljék a bit-sűrűséget és javítsák a kihozatalt ^[40]. A Micron is bevezeti az EUV-t a következő DRAM node-jánál. Több EUV-réteg a memóriában több gigabitet jelent chipeként és alacsonyabb bitenkénti költséget, ami végső soron azt jelenti, hogy ugyanazért az árért több memória kerülhet az eszközeidbe. Valójában az ASML vezérigazgatója, Peter Wennink rámutatott, hogy az AI és az adatigény robbanásszerű növekedése arra készteti a memóriagyártókat, hogy gyorsan alkalmazzák az EUV-t – „A DRAM-gyártók egyre több EUV-réteget használnak a jelenlegi és jövőbeli node-oknál” – jegyezte meg, ami iparági szinten is növeli ezeknek az eszközöknek a keresletét ^[41].

Röviden, az UV-litográfia közvetlenül befolyásolja a mikroprocesszorok képességeit. Az a képesség, hogy kisebb tranzisztorokat lehet gyártani, nemcsak azt teszi lehetővé, hogy több magot vagy nagyobb gyorsítótárat helyezzenek el egy chipen, hanem csökkentheti az egyes tranzisztorok kapcsolásához szükséges energiát is. Ezért hoz minden új gyártástechnológiai generáció általában 15–30%-os teljesítménynövekedést és 20–50%-os energiafogyasztás-csökkenést ugyanazon a dizájnon, vagy lehetővé teszi a tranzisztorsűrűség megduplázását vagy még többet. Például a TSMC 7 nm-es (többnyire DUV) technológiáról 5 nm-re (EUV) való áttérése körülbelül 1,8×-os logikai sűrűségnövekedést és ~15%-os sebességnövekedést eredményezett azonos fogyasztás mellett ^[42]. Ezek a fejlesztések gyorsabb okostelefonokat, hatékonyabb adatközpontokat és áttöréseket jelentenek a nagy teljesítményű számítási feladatokban. Az ultraibolya litográfia az a láthatatlan kéz, amely ezeket a fejlesztéseket a szilíciumba vési. Ahogy egy iparági kutatási igazgató összefoglalta: „EUV nélkül valójában nem lehet élvonalbeli processzorokat gyártani”^[43] – ennyire kritikus a fejlődési ütem fenntartásához.

Jelenlegi csúcstechnológia és főbb szereplők

2025-ben az ultraibolya litográfia minden fejlett chipgyár szívében ott van, és néhány kulcsszereplő és technológia uralja. Íme egy áttekintés a jelenlegi helyzetről és a főbb mozgatórugókról:

ASML (Hollandia) – A litográfia kulcsa. Az ASML a világ egyetlen EUV litográfiai rendszerek szállítója ^[44]. A 2010-es évek végén lett az első (és egyetlen) vállalat, amely kereskedelmi forgalomba hozta az EUV szkennereket, miután a versenytársak kiszálltak ^[45]. Az EUV gépeit (egyenként körülbelül 150–180 millió dollárba kerülnek ^[46], ^[47]) minden élvonalbeli chipgyártó használja. Az ASML DUV szkennereket is gyárt (ebben a szegmensben a Nikon/Canon cégekkel versenyez a piaci részesedésért). Az EUV-nak köszönhetően az ASML a világ egyik legértékesebb félvezető-berendezés gyártójává nőtte ki magát – lényegében monopóliumot tart a legfejlettebb litográfiai technológiában. Egyetlen élvonalbeli gyárnak akár 10–20 ASML EUV gépre is szüksége lehet, ami több milliárd dolláros beruházást jelent. 2021-ben már több mint 100 EUV gép működött világszerte ^[48], és ez a szám folyamatosan nő, ahogy a TSMC, a Samsung és az Intel bővíti az EUV használatát. (Figyelemre méltó, hogy a exportkorlátozások jelenleg megakadályozzák, hogy az ASML EUV gépeket adjon el Kínának, stratégiai jelentőségük miatt ^[49].)
Intel (USA) – Versenyfutás a visszatérésért az élre. Az Intel, amely sokáig a litográfia éllovasa volt, késéseket szenvedett a 10 nm-es csomópontjánál (amely fejlett DUV többlépcsős mintázást használt), így lemaradt az EUV bevezetésében. Azóta azonban jelentős beruházásokat hajtott végre, hogy behozza a lemaradást. Az Intel legújabb gyártástechnológiái (amelyeket „Intel 4”, „Intel 3” néven forgalmaznak, nagyjából a ~7 nm és ~5 nm osztályhoz hasonlóak) több réteg esetén is EUV litográfiát alkalmaznak – például az Intel 4 az EUV-t használja a vállalat közelgő Meteor Lake processzorainak gyártásához ^[50]. Az Intel korán befektetett az ASML-be is, és elsőként biztosított hozzáférést az ASML High-NA EUV gépeihez: a világ első High-NA EUV eszközét (EXE:5000 sorozat) 2023-ban kapta meg K+F célokra, és várhatóan 2024–2025-re kapja meg az első gyártási szintű High-NA eszközt (EXE:5200) ^[51], ^[52]. Az Intel tervei szerint ezeket a High-NA EUV szkennereket fogja használni az 1,8 nm-es és 14Å-generációs csomópontjaihoz (~2027-es időkeretben), részeként annak az ambiciózus ütemtervnek, hogy visszaszerezze a technológiai vezető pozíciót ^[53], ^[54]. Az új vezérigazgatói vezetés mellett az Intel nyíltan hirdeti az EUV alkalmazását, sőt, a közeljövőben alapítványi szolgáltatásokat is kínál, hogy más cégek számára is EUV-val gyártson chipeket.
Nikon és Canon (Japán) – A DUV veteránjai, alternatívákat keresnek. A Nikon és a Canon egykor a litográfiai berendezések meghatározó szállítói voltak (az 1990-es években különösen a Nikon vezetett a csúcstechnológiás stepper-ek terén). Továbbra is gyártanak DUV litográfiai eszközöket – valójában a Nikon sok éven át szállított gépeket az Intelnek és a memóriagyártóknak. Azonban egyik cég sem szállított EUV megoldást: mindkettő visszalépett az EUV fejlesztésétől a 2000-es évek eleji kutatások után, átadva ezt a piacot az ASML-nek ^[55]. Ma a Nikon még mindig értékesít 193 nm-es immersion szkennereket nagy volumenű gyártáshoz (különösen a nem élvonalbeli üzemekben vagy kiegészítő eszközként használják), míg a Canon olyan speciális területekre koncentrált, mint a nanoimprint litográfia (NIL). A Canon új NIL gépei megpróbálják mechanikusan „bélyegezni” a chipmintákat, és nagyságrenddel alacsonyabb költséget és 90%-kal kisebb energiafelhasználást ígérnek, mint az EUV eszközök^[56]^[57]. A Canon 2024-ben kezdte meg első NIL eszközeinek próbaszállítását ^[58]. Egyesek szerint a NIL bizonyos alkalmazásokban potenciálisan diszruptív technológia lehet (hagyományos litográfiával együtt is használható egyszerűbb rétegekhez vagy memóriákhoz), de a nagy volumenű, legnagyobb sűrűségű logikai gyártásban még nem bizonyított ^[59]. Jelenleg a Nikon és a Canon továbbra is jelentős szereplők a DUV területen (és a régebbi node-oknál), de az ASML gyakorlatilag monopóliummal rendelkezik a csúcstechnológiás mikroprocesszorokhoz szükséges fejlett litográfiában.
Kína törekvései – A lemaradás csökkentése korlátozások mellett. Kína, ahol olyan nagy chipgyártók működnek, mint az SMIC, jelenleg nem fér hozzá az EUV technológiához – az ASML-t soha nem engedélyezték, hogy EUV szkennereket adjon el Kínának az USA által vezetett exportkorlátozások miatt cnfocus.com. Még az ASML legújabb DUV immersion eszközeinek kínai értékesítése is holland kormányzati engedélyhez kötött 2023 óta ^[60]. Ez ösztönözte a kínai erőfeszítéseket a hazai litográfia fejlesztésére. A vezető kínai litográfiai berendezésgyártó, az SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment) állítólag már képes 90 nm-es és 28 nm-es DUV litográfiára alkalmas gépeket gyártani, de az EUV-tól még messze vannak (az EUV egy hatalmas szabadalmi ökoszisztémát és komoly fizikai problémákat jelent). Ennek eredményeként a kínai gyárak, mint az SMIC, képesek voltak 7 nm-szerű chipet előállítani régebbi DUV többszörös mintázással, de még mindig néhány generációval le vannak maradva a vezető élvonaltól, amelyhez EUV szükséges. A globális piaci trendek tehát szorosan összefonódnak a geopolitikával: a litográfiai eszközök stratégiai eszközzé váltak. 2024-ben az ASML kínai eladásai (többnyire DUV eszközök) körülbelül 7 milliárd dollárt tettek ki ^[61], de a jövőbeli növekedés bizonytalan a szigorodó exportellenőrzések miatt. Eközben máshol robbanásszerű a kereslet, így az ASML előrejelzése szerint EUV üzletága ~30%-kal nő 2025-ben, a lehetséges kínai ellenszél ellenére is ^[62], ^[63].

Kihívások és legújabb fejlesztések

Bár az ultraibolya litográfia figyelemre méltó előrelépést tett lehetővé, jelentős kihívásokkal is szembesül, amelyek folyamatos innovációt ösztönöznek. Íme néhány kulcsfontosságú problémakör és a legújabb fejlesztések, amelyek ezekre választ adnak:

Eszközköltség és összetettség: Az EUV szkennerek árcédulája (darabonként ~150 millió dollár vagy több) és rendkívüli összetettségük magas belépési küszöböt jelent a chipgyártók számára ^[64]. Csak néhány vállalat engedheti meg magának, hogy ilyen eszközökből nagy flottát tartson fenn. A költségek igazolásához a gyáraknak magas kihasználtságra és jó kihozatalra van szükségük. Fejlődés: A következő generációs High-NA EUV eszközök még drágábbak (darabonként >300 millió dollár) ^[65], de nagyobb áteresztőképességet és felbontást ígérnek, ami potenciálisan csökkenti a tranzisztoronkénti költséget. Emellett a gépi tanulás és a számítási litográfia területén tett erőfeszítések segítenek maximalizálni minden eszköz teljesítményét (a mintázat pontosságának és a folyamatablakok javításával).
Áteresztőképesség (szkenner sebessége): A korai EUV eszközök kevesebb szilíciumostyát dolgoztak fel óránként, mint DUV társaik, részben a korlátozott forrás teljesítmény és az érzékenyebb optika miatt. Az alacsony áteresztőképesség alacsonyabb gyártókapacitást jelent. Fejlődés: Az EUV forrás teljesítménye folyamatosan javult (a mai források meghaladják a 250 W-ot, szemben a kezdeti gyártóeszközök ~125 W-jával), és az ASML legújabb EUV szkennerei optimális körülmények között ~160 ostyát tudnak megvilágítani óránként. A közelgő High-NA EUV rendszerek újratervezett optikával rendelkeznek, nagyobb numerikus apertúrával 0,55 vs 0,33, ami javítja a felbontást, de kezdetben csökkenti a mezőméretet. Ennek ellensúlyozására az ASML úgy fejleszti ezeket az eszközöket, hogy végül elérjék a ~185 ostya/óra áteresztőképességet. Valójában az ASML 2025-ben szállította le első High-NA EUV modelljét (EXE:5200), és azt állítja, hogy 60%-os termelékenységnövekedést fog elérni a jelenlegi EUV eszközökhöz képest – nagyjából 175 ostya/óra, ami már összemérhető a DUV szkennerekkel ^[66].
Hibák és kihozatal: Mivel az EUV visszaverő maszkokat használ és nanoszkálás méretekben működik, a hibakontroll kiemelt jelentőségű. Az apró maszkh hibák vagy részecskék rányomódhatnak az ostyára, és az EUV fotorezisztek, illetve a folyamat véletlenszerű hibákat (sztchasztikus problémákat) mutathatnak, ha nincsenek optimalizálva. Fejlődés: Az iparág védő maszk pellicleket fejlesztett ki az EUV-hez (hogy távol tartsák a részecskéket a maszktól) sok iteráció után. A fotoreziszt kémia is fejlődik – az új reziszt anyagok és alréteg technikák javították az érzékenységet és a vonalszél érdességét. A chipgyártók szerint a kezdeti kihozatali problémákat az EUV-val nagyrészt sikerült leküzdeni, és a hibaarányok összevethetők a korábbi node-okkal ^[67]. Ennek ellenére a kutatók tovább finomítják a reziszt és maszk technológiát (beleértve a fém-oxid rezisztek és más új megközelítések vizsgálatát is az EUV-hoz).
Energiafogyasztás: Ahogy említettük, az EUV szkennerek energiaigényesek – mindegyik akár megawatt nagyságrendű áramot is felvehet a lézerforrás, vákuumszivattyúk és hűtőrendszerek működtetéséhez ^[68]. Ez jelentősen hozzájárul a működési költségekhez, és növeli a gyárak környezeti lábnyomát. Fejlesztés: Alternatív litográfiai módszerek, mint például a Nanoimprint, drasztikusan csökkenteni kívánják az energiafelhasználást (a Canon 90%-kal kevesebb energiahasználatot állít) ^[69]. Magán az EUV-n belül is a mérnökök hatékonyabb forrásokon dolgoznak (pl. a lézerenergia EUV fénnyé alakításának jobb hatásfoka), hogy a jövőbeli eszközök kevesebb bemenő energiával több fényt állítsanak elő. Még a forráshatékonyság vagy a tükörreflektivitás kis javulása is jelentős energiamegtakarítást eredményezhet több ezer ostyánál.
Az optikai felbontás korlátai: Még a 13,5 nm-es EUV is végül eléri a skálázhatóság határait. A jelenlegi EUV eszközök (0,33 NA) kényelmesen tudnak ~30 nm-es osztásközű mintákat készíteni; ennél kisebb méretekhez többszörös mintázás vagy a High-NA EUV lesz szükséges a ~2 nm-es csomóponthoz és alatta. Fejlesztés: A High-NA EUV lényegében a következő nagy lépés – a lencse NA értékének 0,55-re növelésével egy új optikai kialakítással (ami egyébként új 6 hüvelykes maszk méretet és teljesen új eszközplatformot igényel), ezek a rendszerek ~30–40%-kal kisebb struktúrákat tudnak majd felbontani ^[70]. Az ASML szerint a High-NA EUV közel megháromszorozhatja a tranzisztorsűrűséget a chipeken, mivel finomabb struktúrákat és szorosabb osztásközöket tesz lehetővé ^[71]. Az első High-NA EUV eszközöket az Intel várhatóan 2025–2026 körül kezdi el kísérleti használatra, a nagy volumenű alkalmazás pedig ~2028-ra várható ^[72]. Ez a fejlesztés várhatóan átvezeti az iparágat a 2 nm, 1,5 nm és 1 nm csomópontokon (a névadás ellenére ezeknél a jellemző osztásközök a néhány tíz nanométeres tartományban lesznek). Ezen túlmenően más megközelítésekre lehet szükség (például „Beyond EUV” koncepciók még rövidebb hullámhosszon, vagy forradalmi mintázási módszerek).
Alternatív litográfiai technikák: Az, hogy a kritikus litográfiai képesség egy vállalatnál (ASML) és egy technológiánál (EUV) összpontosul, felkeltette az érdeklődést alternatív vagy kiegészítő technikák iránt. Fejlemény: A Canon NIL-je mellett folynak munkálatok a Directed Self-Assembly (DSA) területén is – speciális anyagok felhasználásával, amelyek spontán módon nagyon finom mintázatokat hoznak létre, és bizonyos struktúráknál kiegészíthetik a litográfiát. Egy másik megközelítés a multiphoton vagy kvantum litográfia, amely még nagyrészt akadémiai szinten van. Az E-beam litográfiát (elektronsugaras közvetlen írás) maszkkészítésre és prototípusgyártásra használják, de tömeggyártásra túl lassú. Ennek ellenére a vállalatok több sugaras e-beam eszközöket vizsgálnak speciális mintázatokhoz. Ha ezek az alternatívák kiforrnak, egy napon csökkenthetik az optikai litográfia terhelését vagy bizonyos rétegeknél költséget takaríthatnak meg. Jelenleg azonban ezek „jó, ha van” kutatások, miközben az optikai UV litográfia továbbra is nélkülözhetetlen alappillér.

Szakértői vélemények és jövőbeli kilátások

Az iparági szakértők egyetértenek abban, hogy az ultraibolya litográfia a belátható jövőben is a chipgyártás sarokköve marad, bár folyamatos fejlődéssel. „Folyamatosan mérnökösködünk és fejlesztünk… meredek a tanulási görbe számunkra és ügyfeleink számára is,” mondta egy ASML szóvivő a High-NA EUV bevezetésével kapcsolatban, hangsúlyozva, hogy minden új ugrás (mint a High-NA) alapos finomhangolást igényel ^[73]. Az elemzők is óvatosságra intenek, hogy a költséghatékonyság vezérli majd az elfogadást: „Bár néhány chipgyártó korábban bevezetheti [a High-NA EUV-t] a technológiai vezetés érdekében, a többség csak akkor fogja alkalmazni, ha az gazdaságilag is indokolt,” jegyezte meg Jeff Koch a SemiAnalysis-től, előre jelezve, hogy a legtöbben ~2030-ig várnak, amikor az előny már igazolja a költségeket^[74]. Válaszul az ASML vezérigazgatója, Peter Wennink ragaszkodik hozzá, hogy a High-NA hamarabb bizonyítja majd értékét: „Minden, amit az ügyfeleinknél látunk, azt mutatja, hogy a High-NA olcsóbb [számukra]” a következő szintű méretezés eléréséhez ^[75]. Ez az optimista nézet arra utal, hogy ahogy a komplexitás nő, a fejlettebb litográfia valójában csökkentheti az összköltségeket az extra gyártási lépések elhagyásával.

ASML központi szerepét nem lehet eléggé hangsúlyozni – ezt a kormányok is felismerték. Egy olyan világban, ahol a legmodernebb chipek gazdasági és katonai előnyöket biztosítanak, a litográfiai berendezések stratégiai eszközzé váltak. A holland kormány (amerikai támogatással) szigorúan korlátozta az ASML fejlett eszközeinek Kínába irányuló exportját ^[76], amely lépés célja „Peking félvezetőipari törekvéseinek megakadályozása”^[77]. Ez a globális chip-ellátási lánc kettéválásához vezetett: a legfejlettebb logikai chipeket jelenleg csak néhány helyen (Tajvanon, Dél-Koreában, és hamarosan az USA-ban a TSMC/Intel gyárak révén) gyártják, mind ASML EUV gépekkel. Kína jelentős befektetéseket hajt végre a régebbi technológiák felzárkóztatására és saját litográfia fejlesztésére, de a szakértők szerint sok évbe telhet, mire megközelíthetik a versenytársakat – ha egyáltalán sikerül –, tekintettel a jelentős tudásbeli és szellemi tulajdonjogi akadályokra.

Eközben az UV-litográfiai eszközök iránti kereslet ugrásszerűen nő a félvezetőipari fellendüléssel párhuzamosan. Az AI és a nagy teljesítményű számítástechnika növekedése arra ösztönzi a vezető gyárakat, hogy bővítsék kapacitásukat. Az ASML EUV eszközeire szóló megrendelések rekordmagasságot értek el – egy közelmúltbeli negyedévben a megrendelések 10 milliárd dollárra ugrottak, főként a jövőbeli EUV és High-NA rendszerekre ^[78]. A vállalat előrejelzése szerint az EUV-hez kapcsolódó bevételek 2025-ben ~40–50%-kal ugranak meg ^[79], ami segít növelni a teljes eladásaikat annak ellenére, hogy a memória vagy Kína irányából lassabb a kereslet ^[80]. Más szóval, a csúcstechnológiás litográfiai piac erős és növekszik, az ASML pedig arra számít, hogy évente több tucat EUV egységet szállít le. 2030-ra várhatóan elterjed a High-NA EUV, és a figyelem arra irányul majd, mi következik az EUV korszakát követően.

Mi következhet? Néhány kutató az „EUV-n túl” fogalmáról beszél – talán még rövidebb hullámhosszok alkalmazásáról a lágy röntgentartományban (~6–8 nm), vagy elektron-/ion-projekciós litográfiáról –, de mindegyik út komoly fizikai kihívásokkal néz szembe. Jelenleg az iparág stratégiája az, hogy a legtöbbet hozza ki az EUV-ból: először a High-NA EUV bevezetésével még 1–2 generációnyi zsugorítás érdekében, illetve az EUV okos folyamatintegrációval való kombinálásával (mint például a chiplet architektúrák és a 3D stackelés, amelyek csökkentik a monolitikus 2D zsugorítás szükségességét). A litográfia továbbra is több technika keveréke marad: a DUV nem tűnik el (EUV-val együtt fogják használni), és az olyan új módszerek, mint a nanoimprint, kiegészíthetik a főáramú folyamatokat, ha beválnak. Az optikai litográfiától való radikális elmozdulás azonban valószínűleg a chiptervezésben is paradigmaváltást igényelne – ez pedig a nagy volumenű gyártásban még nem látható a horizonton.

Ahogy a TSMC elnöke, Mark Liu mondta, a félvezetőipar „egy alagútban dolgozott” évtizedeken át egyértelmű céllal: zsugorítani, zsugorítani, zsugorítani ^[81]. Az ultraibolya litográfia volt az a fény, amely ezt az alagutat vezette. Kezdetben higanylámpákkal és kezdetleges UV-vel indult, majd jöttek az excimer deep-UV lézerek, amelyek több mint 20 évig szolgáltak minket ^[82], és most elérkeztünk az extrém-UV korszakához, amely tovább nyújtja az alagutat. Az út semmiképp sem volt könnyű – diadalok és gyakori kételyek jellemezték –, de az eredmény lenyűgöző: milliárdnyi, csupán néhány atom széles struktúra hibátlanul mintázva nagy ostyákon, lehetővé téve olyan számítási teljesítményt, amely egy generációval ezelőtt még elképzelhetetlen volt.

Előre tekintve, a mikroprocesszor-fejlesztés szorosabban összefonódik a litográfiával, mint valaha. A következő CPU-k, GPU-k és AI gyorsítók teljesítményét és képességeit nagyrészt az határozza meg, mennyire finoman és megbízhatóan tudjuk mintázni a jellemzőiket. Az ultraibolya litográfia az a mestereszköz, amely ezt lehetővé teszi. Az iparági szakértők optimisták, hogy a folyamatos innovációkkal – a High-NA optikától az okosabb szoftvereken át akár néhány out-of-the-box ötletig, mint a NIL vagy a DSA – a litográfia továbbra is teljesíteni fog. Az ASML vezérigazgatója szerint az EUV és kiterjesztéseinek ütemterve szilárd a következő évtizedre, így a chipgyártók számára világos pálya nyílik a további fejlődéshez. A globális piaci trendek egészséges növekedést és intenzív versenyt jeleznek, de egyben néhány kulcstechnológia és beszállító köré való összpontosulást is.

Összefoglalva, az ultraibolya litográfia világa a csúcstechnológiás fizika és mérnöki munka fúziója a nagy tétű gazdasággal és stratégiával. Lehet, hogy az UV fény láthatatlan birodalmában működik, de hatása évről évre egyre erősebb mikroprocesszorok formájában válik láthatóvá. Legközelebb, amikor egy új „nanométeres” chip áttörésről hallasz, gondolj az ultraibolya forradalomra, amely a háttérben dolgozik. A deep UV-tól az extrém UV-ig és azon túl ezek a technológiák valóban alakítják a mikrochipek jövőjét – egy-egy fotonvillanással vésik fel a következő sorokat az emberi technológiai fejlődés történetében.

Források

C. Thompson, „A gép belsejében, amely megmentette Moore törvényét,” MIT Technology Review, 2021. okt. 27. ^[83]^[84]
Wikipedia, „Fotolitográfia – A jelenlegi csúcstechnológiás eszközök 193 nm-es mély UV excimer lézereket használnak” ^[85]
M. Chaban, „Világítva az utat: Hogyan élesztette újjá az ASML a Moore-törvényt,” Google Cloud Blog, 2023. márc. 28. ^[86]^[87]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), „Az EUV litográfia jövőjének és azon túli lehetőségek feltérképezése,” 2024. nov. 4. ^[88]
T. Sterling, „Az Intel több mint 340 millió dollárért rendel ASML rendszert a chipgyártási előny érdekében,” Reuters, 2022. jan. 19. ^[89]
T. Sterling, „Az ASML következő chipgyártási kihívása: az új, 350 millió dolláros ‘High NA EUV’ gép bevezetése,” Reuters, 2024. febr. 9. ^[90]
TrendForce News, „Az ASML megerősíti az első High-NA EUV EXE:5200 szállítását…”, 2025. júl. 17. ^[91]
T. Sterling, „A holland kormány kizárja az ASML eladásainak nagy részét Kínába az exportadatokból,” Reuters, 2025. jan. 17. ^[92]
A. Shilov, „Új ‘bélyegző’ chipgyártási technika 90%-kal kevesebb energiát használ, mint az EUV,” Tom’s Hardware, 2024. jan. 31. ^[93]
Samsung Newsroom, „A Samsung Electronics megkezdi a tömeggyártást az új EUV gyártósoron,” 2020. febr. ^[94]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), „7nm FinFET Plus (N7+) technológia – Elsőként használ EUV-t (2019)” ^[95]
S&P Global Market Intelligence, „Az ASML AI-vezérelt fellendülés előtt áll, mivel az EUV és a High-NA iránti kereslet megugrik,” 2023. szept. ^[96]

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

Watch this video on YouTube.

References