De Ultraviolet Revolutie: Binnenin de Onzichtbare Machines van $150 Miljoen die de Toekomst van Microchips Vormgeven

Ultraviolette lithografiemachines kosten meer dan $150 miljoen per stuk en zijn zo groot als een bus.
Industriewaarnemers geven de nieuwste generatie van deze machines de bijnaam “de machines die de Wet van Moore hebben gered” omdat ze moderne, geavanceerde processoren mogelijk maken.
ASML is de enige leverancier van EUV-lithografiesystemen, waarbij EUV-machines ongeveer $150–$180 miljoen per stuk kosten.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) zette EUV voor het eerst op grote schaal in bij zijn 7nm+ (N7+) proces in 2019.
Extreme ultraviolet lithografie gebruikt 13,5 nm licht dat wordt geproduceerd door een krachtige laser op tin-druppels te schieten om plasma te creëren dat EUV-straling uitzendt, met een stroomverbruik van meer dan 1 megawatt per machine.
ASML leverde het eerste High-NA EUV-systeem, de EXE:5200, in 2025, die de numerieke apertuur verhoogt naar 0,55 en mikt op ongeveer 175 wafers per uur.
De eerste commerciële EUV-chips kwamen in 2019 op de markt, met TSMC’s 7nm+ (N7+) proces en Samsung’s 7LPP die EUV gebruiken.
Exportcontroles verhinderen dat ASML EUV aan China verkoopt, terwijl de ASML-verkopen aan China in 2024 ongeveer $7 miljard bedroegen, voornamelijk uit DUV-machines.
Nikon en Canon zijn gestopt met de ontwikkeling van EUV; Nikon levert nog steeds 193 nm immersiescanners, terwijl Canon zich richt op nanoimprintlithografie (NIL) met proefleveringen in 2024.
Samsung’s 14 nm-klasse DRAM gebruikt EUV op verschillende lagen en Micron plant EUV voor zijn volgende DRAM-node.

Elke moderne microprocessor – van de chip in je smartphone tot de CPU’s die cloud-AI aandrijven – wordt geboren onder ultraviolet licht. Sterker nog, sommige van de meest geavanceerde productiemachines op aarde schijnen onzichtbare ultraviolette lasers op siliciumwafers om de nanoschaalcircuits te etsen die microchips laten werken. Deze machines kosten meer dan $150 miljoen per stuk, zijn zo groot als een bus, en werken met een bijna sciencefictionachtige complexiteit – toch zijn het de onbezongen werkpaarden achter de Wet van Moore en de voortdurende opmars van snellere, kleinere, efficiëntere processoren ^[1], ^[2]. Industriewaarnemers hebben de nieuwste generatie van deze machines zelfs de bijnaam “de machines die de Wet van Moore hebben gered” gegeven, want zonder hen zou het maken van geavanceerde chips praktisch onmogelijk zijn ^[3]. Dit rapport duikt in de wereld van ultraviolette lithografie – zowel in de traditionele deep ultraviolet (DUV) als de geavanceerde extreme ultraviolet (EUV) vormen – en legt uit hoe het werkt, waarom het zo cruciaal is voor de ontwikkeling van microprocessoren, en waar het naartoe gaat.

Ultraviolette lithografie klinkt misschien als esoterische techniek, maar de impact ervan is heel reëel en zichtbaar in ons dagelijks leven. Door steeds fijnere patronen van transistors op silicium te printen, maakt UV-lithografie direct het opmerkelijke tempo van verbetering in de tech-industrie mogelijk. Zoals een tech-analist het botweg verwoordde: “Moore’s Law is basically falling apart, and without this machine, it’s gone. You can’t really make any leading-edge processors without EUV.”^[4] Met andere woorden, de toekomst van microchips – en alle gadgets en innovaties die ze aandrijven – hangt nu af van het benutten van licht met extreem kleine golflengtes. Hieronder leggen we uit hoe dit op licht gebaseerde printen werkt, hoe het zich heeft ontwikkeld tot de nieuwste EUV-technologie, wie de belangrijkste spelers zijn (van de Nederlandse machinebouwer ASML tot chipgiganten als TSMC, Samsung en Intel), recente doorbraken (zoals EUV-machines van de volgende generatie en alternatieve technieken), en wat industrie-experts zeggen over de weg vooruit.

Wat is ultraviolette lithografie?

In de kern is lithografie bij chipfabricage vergelijkbaar met fotografie op silicium. Een siliciumwafer wordt bedekt met een lichtgevoelig materiaal (photoresist), en een machine gebruikt gefocust licht om ingewikkelde circuitpatronen op die wafer te projecteren via een sjabloonachtig masker. De patronen komen overeen met de piepkleine transistors en bedrading die een microprocessor vormen. Waar het licht het oppervlak raakt, verandert het de resist chemisch zodat die gebieden geëtst of bewerkt kunnen worden, terwijl de bedekte delen beschermd blijven. Door dit proces laag voor laag met extreme precisie te herhalen, bouwen chipmakers de complexe architectuur van een moderne geïntegreerde schakeling op.

De sleutel tot resolutie in dit “printproces” is de golflengte van licht. Net zoals een fijnere kwast een kunstenaar in staat stelt kleinere details te schilderen, maakt een kortere lichtgolflengte het chipmakers mogelijk om fijnere structuren te etsen. Decennialang heeft de halfgeleiderindustrie gestreefd naar kortere golflengtes op het elektromagnetisch spectrum om steeds kleinere transistors te printen ^[5]. Vroege chips in de jaren 60 gebruikten zichtbaar en lang-UV licht (g-lijn op 436 nm, i-lijn op 365 nm), maar in de jaren 90 verschoof de stand van de techniek naar het diep ultraviolet met krachtige excilaser op 248 nm (KrF) en later 193 nm (ArF)^[6]. Licht op 193 nm – ongeveer 1/5 van de golflengte van zichtbaar licht – werd de werkpaard voor de productie van chips gedurende de jaren 2000 en 2010. Deze diep-UV (DUV) lithografie maakte minimale structuren van ongeveer ~50 nm en kleiner mogelijk, vooral na de introductie van trucs zoals immersielenzen en meervoudige belichtingen ^[7]. Sterker nog, “excilaserlithografie” op 248 nm en 193 nm was zo succesvol dat het Moore’s Law ongeveer twee decennia lang aandreef, waardoor de transistorafmetingen bleven krimpen en de chippdichtheid volgens schema bleef verdubbelen ^[8].

Echter, tegen het einde van de jaren 1990 en het begin van de jaren 2000 wisten ingenieurs dat ze een golflengte-muur naderden met 193 nm-licht ^[9]. Om structuren veel kleiner dan ~40–50 nm te maken, moest 193 nm-lithografie steeds ingewikkeldere methoden gebruiken: exotische optische trucs, meervoudige patroonstappen (dezelfde laag meerdere keren belichten met verschoven maskers om een fijnere effectieve pitch te bereiken), en andere slimme oplossingen ^[10], ^[11]. Deze technieken verlengden de levensduur van DUV-apparatuur (chipfabrikanten rekte 193 nm zelfs tot nodes die op de markt werden gebracht als 10 nm of zelfs 7 nm door dubbele, drievoudige of viervoudige patronering toe te passen), maar dit ging ten koste van enorme complexiteit, lagere opbrengst en torenhoge productiekosten. Halverwege de jaren 2010 was het duidelijk dat traditionele DUV moeite had om verder te gaan – de industrie had een sprong naar een kortere golflengte van licht nodig om Moore’s Law in stand te houden ^[12].

Diep Ultraviolet (DUV) Lithografie: Het Werkpaard

Diep UV-lithografie (met ~248 nm en 193 nm lasers) is al generaties lang de werkpaardtechnologie voor chipproductie. DUV-apparatuur zijn in wezen uiterst precieze geprojecteerde beeldsystemen: ze schijnen een UV-laser door een gepatroneerd fotomasker en een reeks reductielenzen om een verkleind beeld op de siliciumwafer te projecteren. Moderne 193 nm-systemen vullen zelfs de ruimte tussen lens en wafer met ultra-puur water (immersiolithografie) om effectief het numerieke diafragma van de lens te vergroten en kleinere structuren te kunnen maken ^[13]. Met deze methoden werd 193 nm-immersiolithografie in staat om structuren te printen die ver onder de nominale golflengte liggen – maar alleen door gebruik te maken van resolutieverhogende technieken en herhaalde belichtingen. Zo werden, voordat EUV zijn intrede deed, geavanceerde 7 nm-node chips gerealiseerd met DUV door vier afzonderlijke maskerstappen voor één enkele laag te gebruiken (viervoudige patronering) – een verbazingwekkend complexe oefening in precisie-uitlijning.

DUV-lithografie is zeer volwassen en betrouwbaar. DUV-machines van bedrijven zoals ASML, Nikon en Canon verwerken vandaag de dag nog steeds het merendeel van de lagen in chipproductie (zelfs in de meest geavanceerde fabrieken worden alleen de meest kritische lagen met EUV gedaan, terwijl minder kritische lagen nog steeds met meerdere DUV-belichtingen worden uitgevoerd). Deze machines zijn ook aanzienlijk goedkoper dan de nieuwste EUV-machines – een topklasse immersie DUV-scanner kost ongeveer $50–$100 miljoen, terwijl een EUV-machine $150+ miljoen kost ^[14]. Daardoor blijven DUV-machines onmisbaar niet alleen voor chips van oudere generaties (waar de structuren groter en makkelijker te printen zijn), maar ook als aanvulling op EUV in geavanceerde processen. Sterker nog, DUV-verkopen vormen nog steeds het grootste deel van de jaarlijks verscheepte lithografie-apparatuur ^[15]. Chipfabrikanten hebben een enorme geïnstalleerde basis van DUV-scanners en veel ervaring met het gebruik ervan.

Toch bereikte 193 nm DUV ondanks voortdurende verfijningen een fundamentele limiet in hoe klein het nog kon gaan zonder onhoudbare inspanning. De praktische resolutie in optische lithografie volgt grofweg het Rayleigh-criterium: minimale featuregrootte ≈ k₁ · (λ/NA), waarbij λ de golflengte is en NA de lensopening. Met λ vast op 193 nm en NA maximaal rond 1,35 (immersie), persten chipmakers k₁ tot de theoretische limieten met behulp van computationele trucs – maar om de featuregrootte verder te verkleinen, moest λ zelf kleiner worden. Rond 2019 hadden toonaangevende foundries zoals TSMC en Samsung commercieel een nieuwe lithografie-lichtbron geïntroduceerd op 13,5 nm golflengte – bijna 15× korter dan DUV’s 193 nm ^[16]. Dit luidde het tijdperk in van extreme ultraviolet lithografie.

De overstap naar Extreme Ultraviolet (EUV) Lithografie

Extreme Ultraviolet-lithografie (EUV) gebruikt aanzienlijk kortgolviger licht – 13,5 nm, op de grens tussen UV en röntgenstralen – om chips te belichten. Door over te stappen op deze veel fijnere “kwast” kan EUV veel kleinere transistors en structuren printen met één enkele belichting, waardoor veel van de ingewikkelde multi-patterning stappen die bij DUV op geavanceerde nodes nodig zijn, worden vermeden ^[17]. In de praktijk heeft EUV-lithografie de grootschalige productie van chips mogelijk gemaakt bij de 7 nm, 5 nm en 3 nm technologiegeneraties, met veel minder processtappen en betere opbrengsten dan een volledig DUV-benadering. Zo gebruikte het Taiwanese TSMC EUV op enkele kritieke lagen, te beginnen met het 7 nm+ (N7+)-proces in 2019 – het eerste commerciële proces dat EUV gebruikte ^[18] – en vervolgens uitgebreid voor de 5 nm-nodes die processors aandrijven zoals Apple’s A15 en A16 Bionic smartphonechips ^[19]. Samsung begon op vergelijkbare wijze met massa productie met EUV begin 2019 op het 7LPP-proces en heeft sindsdien EUV ingezet voor 5 nm en zelfs bij de fabricage van geheugenchips^[20], ^[21]. Deze stappen waren baanbrekend: door gebruik te maken van 13,5 nm-licht konden chipfabrikanten structuren printen met single-pattern belichtingen die voorheen meerdere DUV-passes vereisten, waardoor de productie werd vereenvoudigd en dichtere transistorverpakking dan ooit tevoren mogelijk werd^[22].

Echter, EUV-lithografie was geen gemakkelijke revolutie. Het kostte meer dan twee decennia aan onderzoek en ~$9–10 miljard aan R&D-uitgaven om EUV geschikt te maken voor productie op grote schaal ^[23]^[24]. De uitdagingen waren enorm omdat 13,5 nm-licht zich heel anders gedraagt dan 193 nm-licht. Ten eerste is geen enkel materiaal transparant bij 13,5 nm – je kunt geen refractieve lenzen of conventionele glazen maskers gebruiken. In plaats daarvan gebruiken EUV-systemen een volledig spiegelend optisch systeem: een reeks fijn gevormde multilaags spiegels met speciale coatings die 13,5 nm-licht reflecteren (elke spiegel reflecteert slechts een deel van het licht, dus met meerdere spiegels daalt de intensiteit drastisch) ^[25]. Het fotomasker is ook een reflecterend spiegelsubstraat in plaats van een transparante glasplaat. Dit alles moet werken in vacuüm (lucht zou EUV absorberen). Kortom, EUV-scanners zijn een complete herontwerp van het optische systeem vergeleken met DUV-instrumenten, met exotische optica en extreme precisie.

Dan is er nog de lichtbron: hoe genereer je überhaupt hoog-intensief 13,5 nm ultraviolet licht? Het antwoord klinkt als sciencefiction: EUV-machines creëren licht door een gepulseerde hoogvermogenlaser op kleine druppeltjes gesmolten tin te schieten, 50.000 keer per seconde ^[26], ^[27]. Elke laserpuls verdampt een tindruppel tot een extreem heet plasma dat EUV-straling uitzendt – in feite een miniatuur sterachtige explosie die zich binnenin de machine afspeelt. Deze plasmaflitsen produceren het gewenste 13,5 nm licht samen met veel andere ongewenste straling en restmateriaal, dus het systeem moet de juiste golflengte filteren en verzamelen en al het andere afschermen. Het EUV-licht wordt vervolgens door de spiegels gefocust en in patronen op de wafer gericht. Het is een enorm inefficiënt proces qua lichtopwekking (veel van de energie gaat verloren als warmte), waardoor de laser die de bron aandrijft ongelooflijk krachtig moet zijn. De lichtbron van een EUV-scanner kan ongeveer >1 megawatt aan stroom verbruiken om voldoende EUV-fotonenstroom te leveren voor grootschalige productie ^[28]. Ter vergelijking: een 193 nm excimerlaser gebruikt daar slechts een fractie van. Dit verklaart waarom EUV-machines enorme stroom- en koelingsvereisten hebben, en waarom alternatieve technieken zoals nanoimprintlithografie (waarbij helemaal geen lasers worden gebruikt) energiebesparingen van ~90% beloven ^[29].

De complexiteit stopt daar niet. Omdat EUV-fotonen zo energierijk zijn, kunnen ze subtiele stochastische effecten in de fotoresist veroorzaken (willekeurige variaties die tot defecten kunnen leiden als ze niet worden beperkt), en EUV-maskers kunnen niet gemakkelijk met de gebruikelijke pellicles worden beschermd (het ontwikkelen van speciale EUV-pellicles was weer een meerjarig traject). Elk onderdeel van het systeem – van de vacuümstages, tot de waferpositioneerders met zes vrijheidsgraden die zich met meters per seconde bewegen, tot de defectinspectie van die multilagenspiegels – heeft de grenzen van de techniek verlegd. “Het is een zeer moeilijke technologie – qua complexiteit valt het waarschijnlijk in de categorie van het Manhattanproject,” merkte de lithografiedirecteur van Intel op, waarmee hij illustreerde hoe uitdagend de ontwikkeling van EUV was ^[30].

Jarenlang twijfelden veel experts eraan of EUV ooit op tijd zou werken. Grote spelers Nikon en Canon gaven het op met EUV-onderzoek na te veel obstakels te zijn tegengekomen, waardoor ASML (Nederland) als het enige bedrijf overbleef dat de technologie vooruit duwde^[31]^[32]. De gok van ASML betaalde zich uiteindelijk uit – maar niet zonder hulp. In 2012, toen het strategisch belang van EUV werd onderkend, investeerden grote chipfabrikanten Intel, TSMC en Samsung gezamenlijk ongeveer $4 miljard in ASML om de ontwikkeling van EUV te versnellen ^[33]. In 2017 onthulde ASML eindelijk een productieklare EUV-scanner (model NXE:3400B), en in 2019 rolden de eerste commerciële chips gemaakt met EUV van de band ^[34]^[35]. Industrievolgers noemden het een keerpunt – de langverwachte EUV-revolutie was precies op tijd gearriveerd om de halfgeleider-roadmap te verlengen. Zoals MIT Technology Review opmerkte, is ASML’s EUV-machine “een felbegeerd apparaat… gebruikt om microchipkenmerken te maken die zo klein zijn als 13 nanometer… gevuld met 100.000 kleine mechanismen… er zijn vier 747’s nodig om er één naar een klant te vervoeren” ^[36]. Kortom, EUV-scanners zijn wonderen van moderne techniek die ultraviolet licht toepassen op een schaal en complexiteit die nooit eerder is vertoond.

Waarom UV-lithografie belangrijk is voor microprocessors

De beloning voor al deze complexiteit is eenvoudig: kleinere transistors en hogere chipprestaties. Door fijnere structuren te printen, kunnen chipfabrikanten meer transistors op hetzelfde oppervlak plaatsen (wat doorgaans betekent: meer rekenkracht of lagere kosten per chip) en de elektrische capaciteiten en afstanden die signalen moeten afleggen verkleinen (wat snellere schakelsnelheden en lager energieverbruik betekent). Dit is de essentie van Moore’s Law – het verkleinen van transistorafmetingen om meer in elke chipgeneratie te stoppen – en lithografie is de fundamentele mogelijkmaker van die vooruitgang ^[37], ^[38]. Wanneer je hoort over een nieuwe smartphonechip gemaakt op een “3 nm-proces” of een server-CPU op “5 nm EUV-technologie”, dan geven die getallen grotendeels de mogelijkheden weer van geavanceerde lithografie om extreem kleine structuren te definiëren (hoewel de node-namen deels marketing zijn, correleren ze met dichtheidsverbeteringen die EUV mogelijk heeft gemaakt).

Het belang van ultravioletlithografie wordt misschien het best geïllustreerd door te bedenken wat er zou gebeuren zonder deze vooruitgang. Als de industrie alleen bij 193 nm DUV was gebleven, hadden chipfabrikanten misschien nog steeds manieren gevonden om zeer krachtige chips te maken – maar ze zouden zoveel herhalende processtappen (en opbrengstverlagende complexiteit) nodig hebben dat de kosten de pan uit zouden rijzen en de vooruitgang dramatisch zou vertragen. Rond het midden van de jaren 2010 voorspelden sommigen zelfs het nakende einde van Moore’s Law omdat optische lithografie tegen zijn grenzen aanliep. EUV kwam precies op tijd om een nieuwe reddingslijn te bieden. Door weer een eenvoudiger patroon met één belichting aan de voorhoede mogelijk te maken, heeft EUV de schaalbaarheidsroutekaart verlengd voor minstens een paar generaties extra. Een groot deel van de meest geavanceerde chips van vandaag bestaat dankzij EUV. Zo worden Apple’s nieuwste A-serie smartphoneprocessoren en M-serie Mac-chips door TSMC vervaardigd met 5 nm EUV-processen, waardoor transistorenaantallen van tientallen miljarden en grote sprongen in snelheid en efficiëntie ten opzichte van vorige generaties mogelijk zijn ^[39]. AMD’s Ryzen-CPU’s en GPU’s, waarvan er veel op TSMC 7 nm- of 5 nm-EUV-nodes worden gemaakt, profiteren eveneens van de hogere dichtheid en het lagere energieverbruik. Zelfs de meest geavanceerde AI-versnellers en datacenterprocessoren – het soort dat grootschalige AI-modellen aandrijft – zijn afhankelijk van EUV-gebaseerde 5 nm/4 nm-processen om matrixrekenkernen dicht te verpakken en het energiebeheer te optimaliseren.

Het gaat niet alleen om logische chips. Geheugenchips profiteren ook van de vooruitgang in UV-lithografie. Fabrikanten van high-performance DRAM zijn begonnen met het gebruik van EUV voor bepaalde kritische lagen in hun nieuwste generaties (bijv. Samsung’s 14 nm-klasse DRAM gebruikt EUV op meerdere lagen) om de bitdichtheid te verhogen en de opbrengst te verbeteren ^[40]. Micron introduceert EUV ook in zijn volgende DRAM-node. Meer EUV-lagen in geheugen betekent meer gigabits opslag per chip en lagere kosten per bit, wat uiteindelijk betekent dat je meer geheugen in je apparaten krijgt voor dezelfde prijs. ASML’s CEO Peter Wennink heeft zelfs aangegeven dat de stijgende vraag naar AI en data geheugenfabrikanten ertoe aanzet om snel EUV toe te passen – “DRAM-fabrikanten gebruiken meer EUV-lagen op huidige en toekomstige nodes”, merkte hij op, wat de vraag naar deze machines in de hele sector stimuleert ^[41].

Kortom, UV-lithografie heeft direct invloed op de mogelijkheden van microprocessors. De mogelijkheid om kleinere transistors te maken zorgt er niet alleen voor dat je meer cores of meer cache op een chip kunt plaatsen, maar kan ook het energieverbruik per transistoromschakeling verminderen. Daarom levert elke nieuwe procesgeneratie vaak een 15–30% prestatieverbetering en 20–50% lager energieverbruik op bij hetzelfde ontwerp, of maakt het mogelijk om de transistordichtheid te verdubbelen of meer. Zo leverde TSMC’s overstap van een 7 nm (voornamelijk DUV) proces naar 5 nm (EUV) ongeveer een 1,8× toename in logicadichtheid en ~15% snelheidswinst op bij gelijkblijvend energieverbruik ^[42]. Die verbeteringen zorgen voor snellere smartphones, efficiëntere datacenters en doorbraken in high-performance computing. Ultravioletlithografie is de onzichtbare hand die deze verbeteringen in het silicium snijdt. Zoals een onderzoeksdirecteur uit de sector het samenvatte: “Zonder EUV kun je eigenlijk geen toonaangevende processors maken”^[43] – zo cruciaal is het om op het pad van vooruitgang te blijven.

Huidige stand van zaken en belangrijkste spelers

Vanaf 2025 ligt ultravioletlithografie aan de basis van elke geavanceerde chipfabriek, en wordt het gedomineerd door een paar belangrijke spelers en technologieën. Hier volgt een overzicht van het huidige landschap en de belangrijkste krachten die het aandrijven:

ASML (Nederland) – De spil van de lithografie. ASML is de enige leverancier van EUV-lithografiesystemen wereldwijd ^[44]. Eind jaren 2010 werd het het eerste (en enige) bedrijf dat EUV-scanners commercialiseerde, nadat concurrenten waren afgehaakt ^[45]. De EUV-machines van ASML (elk met een prijs van ongeveer $150–$180 miljoen ^[46], ^[47]) worden gebruikt door elke toonaangevende chipfabrikant. ASML produceert ook DUV-scanners (waar het concurreert met Nikon/Canon om marktaandeel). Dankzij EUV is ASML uitgegroeid tot een van de meest waardevolle halfgeleiderapparatuurfabrikanten ter wereld – en heeft het feitelijk een monopolie op de meest geavanceerde lithografietechnologie. Een enkele ultramoderne fabriek kan een vloot van 10–20 ASML EUV-machines nodig hebben, wat neerkomt op een investering van meerdere miljarden dollars. In 2021 waren er al meer dan 100 EUV-machines in gebruik ^[48], en dat aantal blijft stijgen nu TSMC, Samsung en Intel het gebruik van EUV uitbreiden. (Opmerkelijk is dat exportcontroles ASML momenteel verhinderen om EUV-machines aan China te verkopen, vanwege hun strategisch belang ^[49].)
TSMC (Taiwan) – Foundry-pionier in EUV. TSMC is ’s werelds grootste contractchipfabrikant en was de eerste die EUV in volumeproductie inzette (de 7nm+ “N7+”-node in 2019 was het eerste EUV-proces in de industrie) ^[50]. Sindsdien heeft TSMC EUV uitgebreid ingezet voor zijn 5 nm-generatie (2019–2020) en 4 nm/3 nm-nodes, waarbij chips worden geproduceerd voor Apple, AMD, Nvidia en vele anderen met wereldklasse-opbrengsten. Door EUV te gebruiken op een aantal kritieke lagen, behaalde TSMC de dichtheidsverhogingen die deze nodes definiëren. TSMC’s vroege beheersing van EUV is een belangrijke reden waarom het de afgelopen jaren Intel heeft ingehaald op het gebied van procestechnologie. Vooruitkijkend is TSMC van plan om de huidige EUV (0,33 NA) te blijven gebruiken tot en met zijn 3 nm- en zelfs 2 nm-nodes, en wordt next-gen EUV geëvalueerd voor daarna ^[51]. (Interessant genoeg heeft TSMC aangegeven mogelijk niet direct de eerste High-NA EUV-tools te zullen inzetten voor zijn 2 nm-processen rond 2027–2028, en liever te wachten tot de economie gunstiger is ^[52].)
Samsung (Zuid-Korea) – Adoptant van geheugen en logica. Samsung was er snel bij met de adoptie van EUV voor logica, en kondigde al in 2019 7 nm EUV-productie aan (deze werd gebruikt in zijn Exynos-mobiele processoren en sommige Qualcomm Snapdragon-chips). Samsung liep ook voorop met het gebruik van EUV in geheugen, en werd de eerste die EUV gebruikte in DRAM-fabricage (voor zijn 1z-nm DRAM-node) en in V-NAND-lagen ^[53]. Samsungs EUV-capabele fab in Hwaseong is een toonbeeld, en het bedrijf blijft investeren in EUV voor zowel zijn foundry- als geheugenactiviteiten. Net als TSMC is Samsung klant van ASML’s aankomende High-NA EUV, hoewel berichten suggereren dat Samsung nog niet heeft besloten wanneer het deze tools in productie zal nemen ^[54]. In de tussentijd maken Samsungs huidige vlaggenschipprocessen (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around-transistoren) allemaal gebruik van EUV om het aantal maskeringsstappen te verminderen. Samsung produceert ook nog veel chips met DUV en oudere tools, maar voor de voorhoede is het volledig overgestapt op EUV.
Intel (VS) – Wedloop om weer aan kop te komen. Intel, lange tijd een leider in lithografie, ondervond vertragingen bij zijn 10 nm-node (die geavanceerde DUV-multipatterning gebruikte) en liep daardoor achter bij de adoptie van EUV. Maar sindsdien heeft het bedrijf zwaar geïnvesteerd om de achterstand in te halen. Intel’s nieuwste processgeneraties (met de merknaam “Intel 4”, “Intel 3”, ruwweg gelijk aan ~7 nm en ~5 nm klasse) gebruiken EUV-lithografie voor meerdere lagen – Intel 4, bijvoorbeeld, past EUV toe bij de productie van de aankomende Meteor Lake CPU’s van het bedrijf ^[55]. Intel was ook een vroege investeerder in ASML en heeft als eerste toegang tot ASML’s High-NA EUV-machines veiliggesteld: het ontving in 2023 het ’s werelds eerste High-NA EUV-instrument (EXE:5000-serie) voor R&D en staat gepland om het eerste productieklare High-NA-instrument (EXE:5200) te ontvangen in 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel is van plan om deze High-NA EUV-scanners te gebruiken voor zijn 1,8 nm- en 14Å-generatie nodes (~2027-tijdlijn) als onderdeel van zijn ambitieuze roadmap om het procesleiderschap te herwinnen ^[58], ^[59]. Met nieuw CEO-leiderschap promoot Intel openlijk zijn omarming van EUV en zelfs diensten als foundry waarbij het in de nabije toekomst chips voor andere bedrijven zal maken met behulp van EUV.
Nikon en Canon (Japan) – Veteranen van DUV, op zoek naar alternatieven. Nikon en Canon waren ooit dominante leveranciers van lithografie-apparatuur (in de jaren 90 liep vooral Nikon voorop met geavanceerde steppers). Ze produceren nog steeds DUV-lithografietools – in feite leverde Nikon jarenlang machines aan Intel en geheugenfabrikanten. Maar geen van beide bedrijven leverde een EUV-oplossing: beide trokken zich terug uit de ontwikkeling van EUV na onderzoek in het begin van de jaren 2000, waardoor ze die markt aan ASML overlieten ^[60]. Tegenwoordig verkoopt Nikon nog steeds 193 nm immersiescanners voor grootschalige productie (vooral gebruikt in niet-leidende fabrieken of als aanvullende tools), terwijl Canon zich heeft gericht op gespecialiseerde niches zoals nanoimprint lithografie (NIL). De nieuwe NIL-machines van Canon proberen chippatronen mechanisch te “stempelen” en claimen een tien keer lagere kostprijs en 90% minder energieverbruik dan EUV-tools^[61]^[62]. Canon begon in 2024 met het leveren van zijn eerste NIL-tools voor proefgebruik ^[63]. Sommigen zien NIL als een potentiële disruptieve technologie voor bepaalde toepassingen (het zou naast conventionele lithografie kunnen worden gebruikt voor eenvoudigere lagen of geheugenchips), maar het is nog niet bewezen voor grootschalige productie van logica met de hoogste dichtheid ^[64]. Voorlopig blijven Nikon en Canon belangrijk in de DUV-sector (en voor oudere nodes), maar ASML heeft een feitelijk monopolie op de geavanceerde lithografie die nodig is voor de nieuwste microprocessors.
China’s ambities – De kloof dichten onder restricties. China, dat grote chipfabrieken zoals SMIC huisvest, heeft momenteel geen toegang tot EUV-technologie – ASML heeft nooit EUV-scanners aan China mogen verkopen vanwege exportrestricties onder leiding van de VS cnfocus.com. Zelfs de verkoop van ASML’s nieuwste DUV-immersion tools aan China is sinds 2023 onderworpen aan een Nederlandse overheidsvergunning ^[65]. Dit heeft Chinese inspanningen gestimuleerd om eigen lithografie te ontwikkelen. Het toonaangevende Chinese lithografiebedrijf, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), zou machines hebben gebouwd die in staat zijn tot 90 nm en 28 nm DUV-lithografie, maar nog niets dat in de buurt komt van EUV (EUV vereist een enorm ecosysteem van patenten en lastige natuurkundige problemen). Als gevolg hiervan zijn Chinese fabs zoals SMIC erin geslaagd een 7 nm-achtige chip te produceren met oudere DUV-multiple patterning, maar ze blijven een paar generaties achter op de koplopers die EUV vereisen. Wereldwijde markttrends zijn dus diep verweven met geopolitiek: lithografietools zijn een strategisch bezit geworden. In 2024 bedroeg ASML’s verkoop aan China (voornamelijk DUV-tools) ongeveer $7 miljard ^[66], maar toekomstige groei is onzeker door de verscherping van exportcontroles. Ondertussen groeit de vraag elders explosief, dus ASML verwacht dat zijn EUV-business in 2025 met ~30% zal stijgen ondanks mogelijke tegenwind uit China ^[67], ^[68].

Uitdagingen en recente ontwikkelingen

Hoewel ultravioletlithografie opmerkelijke vooruitgang mogelijk heeft gemaakt, zijn er ook aanzienlijke uitdagingen die voortdurende innovatie stimuleren. Hier zijn enkele belangrijke pijnpunten en de recente ontwikkelingen die daarop inspelen:

Gereedschapskosten & complexiteit: Het prijskaartje van EUV-scanners (~$150 miljoen of meer per stuk) en hun enorme complexiteit verhogen de instapdrempel voor chipfabrikanten ^[69]. Slechts een paar bedrijven kunnen zich grote aantallen van deze machines veroorloven. Om de kosten te rechtvaardigen, moeten fabrieken een hoge benutting en een hoog rendement halen. Vooruitgang: De volgende generatie High-NA EUV-machines zijn zelfs nog duurder (> $300 miljoen per stuk) ^[70], maar beloven een hogere doorvoer en resolutie, wat mogelijk de kosten per transistor verlaagt. Daarnaast helpen inspanningen op het gebied van machine learning en computational lithography om de prestaties van elke machine te maximaliseren (door de patroongetrouwheid en procesvensters te verbeteren).
Doorvoer (scannersnelheid): Vroege EUV-machines verwerkten minder wafers per uur dan hun DUV-tegenhangers, deels door beperkte bronkracht en kwetsbaardere optiek. Lage doorvoer betekent lagere productiviteit van de fabriek. Vooruitgang: De bronkracht van EUV is gestaag verbeterd (de huidige bronnen overschrijden 250 W, tegenover ~125 W in de eerste productiemachines), en ASML’s nieuwste EUV-scanners kunnen ~160 wafers/uur belichten onder optimale omstandigheden. De aankomende High-NA EUV-systemen krijgen opnieuw ontworpen optiek met een hogere numerieke apertuur 0,55 versus 0,33, wat de resolutie verbetert maar aanvankelijk het veldformaat verkleint. Om dit te compenseren, werkt ASML eraan om deze machines uiteindelijk ~185 wafers/uur te laten halen. Sterker nog, ASML heeft in 2025 zijn eerste High-NA EUV-model (EXE:5200) verscheept en zegt dat het een productiviteitsboost van 60% zal leveren ten opzichte van de huidige EUV-machines – ongeveer 175 wafers/uur, wat vergelijkbaar is met DUV-scanners ^[71].
Defecten & opbrengst: Omdat EUV gebruikmaakt van reflecterende maskers en werkt op nanometerschaal, is defectcontrole een groot aandachtspunt. Kleine maskerdefecten of deeltjes kunnen op de wafer worden afgedrukt, en de EUV-fotoresists en het proces kunnen willekeurige defecten (stochastische problemen) vertonen als ze niet geoptimaliseerd zijn. Vooruitgang: De industrie heeft na vele iteraties beschermende maskerpellicles voor EUV ontwikkeld (om deeltjes van het masker te houden). De chemie van de fotorisist ontwikkelt zich ook – nieuwe resistmaterialen en onderlaagtechnieken hebben de gevoeligheid en de ruwheid van de lijnrand verbeterd. Chipfabrikanten melden dat de initiële problemen met het rendement bij EUV grotendeels zijn overwonnen, en dat de defectpercentages vergelijkbaar zijn met eerdere nodes ^[72]. Toch blijven onderzoekers resist- en maskertech verfijnen (waaronder het verkennen van metaaloxide-resists en andere nieuwe benaderingen voor EUV).
Stroomverbruik: Zoals vermeld, zijn EUV-scanners erg energie-intensief – elke scanner kan ongeveer een megawatt aan elektriciteit verbruiken tussen de laserbron, vacuümpompen en koelsystemen ^[73]. Dit draagt bij aan de aanzienlijke operationele kosten en vergroot de ecologische voetafdruk van fabrieken. Vooruitgang: Alternatieve lithografiemethoden zoals Nanoimprint zijn erop gericht het stroomverbruik drastisch te verlagen (Canon beweert 90% minder energieverbruik) ^[74]. Binnen EUV zelf streven ingenieurs naar efficiëntere bronnen (bijvoorbeeld een hogere conversie-efficiëntie van laserenergie naar EUV-licht), zodat toekomstige machines meer licht produceren met minder invoerenergie. Zelfs kleine verbeteringen in bronefficiëntie of spiegelreflectiviteit kunnen aanzienlijke energiebesparingen opleveren over duizenden wafers.
Grenzen van optische resolutie: Zelfs EUV bij 13,5 nm zal uiteindelijk op schaalbaarheidslimieten stuiten. De huidige EUV-machines (0,33 NA) kunnen comfortabel patronen met een pitch van ~30 nm maken; daaronder zijn meerdere belichtingen of High-NA EUV nodig voor ~2 nm node en kleiner. Vooruitgang: High-NA EUV is in wezen de volgende grote stap – door de lens-NA te verhogen naar 0,55 met een nieuw optisch ontwerp (wat, opmerkelijk, een nieuw 6-inch mask size en een geheel nieuw machineplatform vereist), kunnen deze systemen ~30–40% kleinere structuren afbeelden ^[75]. ASML zegt dat High-NA EUV de transistordichtheid bijna kan verdrievoudigen op chips door fijnere structuren en kleinere pitches mogelijk te maken ^[76]. De eerste High-NA EUV-machines zijn gepland voor proefgebruik door Intel rond 2025–2026, met als doel grootschalig gebruik rond ~2028 ^[77]. Deze uitbreiding zou de industrie door de 2 nm, 1,5 nm en 1 nm nodes moeten loodsen (ondanks de naamgeving zullen deze pitches in de lage tientallen nanometers liggen). Daarna zijn mogelijk andere benaderingen nodig (zoals “Beyond EUV”-concepten bij nog kortere golflengtes, of revolutionaire patroonmethoden).
Alternatieve lithografietechnieken: De concentratie van kritische lithografische capaciteit bij één bedrijf (ASML) en één technologie (EUV) heeft de interesse gewekt in alternatieve of aanvullende technieken. Vooruitgang: Naast Canon’s NIL wordt er gewerkt aan Directed Self-Assembly (DSA) – het gebruik van speciale materialen die spontaan zeer fijne patronen vormen, wat lithografie kan aanvullen voor bepaalde structuren. Een andere benadering is multiphoton- of kwantumlithografie, nog grotendeels academisch. E-beam lithografie (direct schrijven met elektronenbundels) wordt gebruikt voor het maken van maskers en prototyping, maar is te traag voor massaproductie. Toch onderzoeken bedrijven multi-beam e-beam tools voor nichepatronen. Als deze alternatieven volwassen worden, zouden ze op een dag de druk op optische lithografie kunnen verlichten of de kosten voor sommige lagen kunnen verlagen. Voor nu zijn het “nice to have” onderzoeksprojecten, terwijl optische UV-lithografie de onmisbare hoofdrol blijft spelen.

Inzichten van experts en toekomstperspectief

De consensus onder industrie-experts is dat ultravioletlithografie de spil van chipfabricage zal blijven voor de nabije toekomst, zij het met voortdurende evolutie. “We blijven engineeren en ontwikkelen… er is een steile leercurve voor ons en onze klanten,” zei een ASML-woordvoerder over de uitrol van High-NA EUV, waarmee wordt benadrukt dat elke nieuwe sprong (zoals High-NA) uitgebreide afstemming vereist ^[78]. Analisten waarschuwen ook dat kosteneffectiviteit de adoptie zal sturen: “Hoewel sommige chipmakers [High-NA EUV] eerder kunnen introduceren om technologisch leiderschap te behalen, zal de meerderheid het pas adopteren als het economisch zinvol is,” merkte Jeff Koch van SemiAnalysis op, die voorspelt dat de meesten zullen wachten tot ongeveer 2030, wanneer het voordeel de kosten rechtvaardigt^[79]. In reactie daarop benadrukt ASML’s CEO Peter Wennink dat High-NA zijn waarde eerder zal bewijzen: “Alles wat we bij klanten zien, is dat High-NA goedkoper is [voor hen]” om het volgende schaalniveau te bereiken ^[80]. Deze optimistische kijk suggereert dat, naarmate de complexiteit toeneemt, meer geavanceerde lithografie de totale kosten juist zou kunnen verlagen door extra processtappen te elimineren.

Men kan ASML’s centrale rol niet overschatten – een feit dat regeringen niet is ontgaan. In een wereld waar geavanceerde chips economische en militaire voordelen opleveren, is lithografieapparatuur een strategisch bezit geworden. De Nederlandse overheid (met steun van de VS) heeft de export van ASML’s geavanceerde machines naar China streng beperkt ^[81], een maatregel gericht op “het dwarsbomen van Beijing’s halfgeleiderambities”^[82]. Dit heeft geleid tot een splitsing in de wereldwijde chip-toeleveringsketen: de meest geavanceerde logische chips worden momenteel slechts op een paar plekken geproduceerd (Taiwan, Zuid-Korea, en binnenkort de VS via TSMC/Intel-fabrieken), allemaal met gebruik van ASML’s EUV-machines. China investeert zwaar om oudere nodes in te halen en eigen lithografie te ontwikkelen, maar experts schatten dat het nog vele jaren kan duren om in de buurt te komen van gelijkwaardigheid, als dat al ooit lukt, gezien de hoge kennis- en octrooibarrières.

Ondertussen stijgt de vraag naar UV-lithografiemachines sterk in lijn met de halfgeleiderhausse. De groei van AI en high-performance computing zorgt ervoor dat toonaangevende fabrieken hun capaciteit uitbreiden. ASML’s orderboeken voor EUV-machines bereikten recordhoogtes – in een recent kwartaal stegen de bestellingen tot $10 miljard, grotendeels voor toekomstige EUV- en High-NA-systemen ^[83]. Het bedrijf verwacht dat de EUV-gerelateerde omzet met ~40–50% zal stijgen in 2025 ^[84], wat helpt om de totale omzet te verhogen ondanks tragere vraag vanuit het geheugen- of Chinasegment ^[85]. Met andere woorden, de markt voor ultramoderne lithografie is robuust en groeiend, waarbij ASML verwacht jaarlijks tientallen extra EUV-units te leveren. Tegen 2030 zal High-NA EUV waarschijnlijk wijdverspreid zijn, en zal de discussie gaan over wat er na het EUV-tijdperk komt.

Wat zou de volgende stap kunnen zijn? Sommige onderzoekers spreken over “Beyond EUV” – mogelijk met nog kortere golflengtes in het zachte röntgengebied (~6–8 nm) of elektronen/ionen projectielithografie – maar elk van die paden kent enorme natuurkundige uitdagingen. Voorlopig is de strategie van de industrie om het maximale uit EUV te halen: eerst door High-NA EUV uit te rollen voor nog 1–2 generaties van verkleining, en door EUV te combineren met slimme procesintegratie (zoals chiplet-architecturen en 3D-stapeling, die de noodzaak voor monolithische 2D-verkleining verminderen). Lithografie zal een mix van technieken blijven: DUV verdwijnt niet (het zal samen met EUV worden gebruikt), en nieuwe methoden zoals nanoimprint kunnen een niche vinden om de gangbare processen aan te vullen als ze zich bewijzen. Maar een radicale verschuiving weg van optische lithografie zou waarschijnlijk ook een paradigmawisseling in chipontwerp vereisen – iets wat nog niet aan de horizon ligt voor grootschalige productie.

In de woorden van TSMC’s voorzitter Mark Liu werkt de halfgeleiderindustrie al decennialang “in een tunnel” met een duidelijk doel: verkleinen, verkleinen, verkleinen ^[86]. Ultravioletlithografie is het licht dat die tunnel verlicht. Het begon met kwiklampen en primitieve UV, ging over op excimer deep-UV-lasers die ons meer dan 20 jaar hebben gedragen ^[87], en is nu aangekomen in het extreme-UV-tijdperk, waarmee de tunnel verder wordt verlengd. De reis was allesbehalve eenvoudig – gekenmerkt door momenten van triomf en veelvuldige twijfel – maar het resultaat is ronduit verbazingwekkend: miljarden structuren van slechts tientallen atomen breed, feilloos gepatroneerd over grote wafers, waardoor computationele prestaties mogelijk zijn die een generatie geleden onmogelijk leken.

Als we vooruitkijken, is de ontwikkeling van microprocessors meer dan ooit verweven met lithografie. De prestaties en mogelijkheden van de volgende CPU’s, GPU’s en AI-versnellers worden grotendeels bepaald door hoe fijn en betrouwbaar we hun structuren kunnen afdrukken. Ultravioletlithografie is het belangrijkste gereedschap dat dit mogelijk maakt. Industrie-experts zijn optimistisch dat met voortdurende innovaties – van High-NA-optiek tot slimmere software en misschien enkele out-of-the-box ideeën zoals NIL of DSA – lithografie zal blijven leveren. De CEO van ASML suggereert zelfs dat de roadmap voor EUV en zijn uitbreidingen solide is voor het komende decennium, waardoor chipmakers een duidelijke aanloop hebben om verbeteringen voort te zetten. De wereldwijde markttrends wijzen op gezonde groei en felle concurrentie, maar ook op een samenkomst rond enkele cruciale technologieën en leveranciers.

Samengevat is de wereld van ultravioletlithografie een samensmelting van geavanceerde natuurkunde en techniek met economie en strategie op het hoogste niveau. Het werkt misschien in het onzichtbare domein van UV-licht, maar de impact is overduidelijk zichtbaar in de vorm van steeds krachtigere microprocessors, jaar na jaar. De volgende keer dat je hoort over een nieuwe “nanometer” chipdoorbraak, denk dan aan de ultravioletrevolutie achter de schermen. Van deep UV tot extreme UV en verder, deze technologieën zijn werkelijk de toekomst van microchips aan het vormgeven – en etsen de volgende regels in het verhaal van menselijke technologische vooruitgang, één fotonflits tegelijk.

Bronnen

C. Thompson, “Inside the machine that saved Moore’s Law,” MIT Technology Review, 27 okt. 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, “Photolithography – Current state-of-the-art tools use 193 nm deep UV excimer lasers” ^[90]
M. Chaban, “Lighting the way: How ASML revived Moore’s Law,” Google Cloud Blog, 28 mrt. 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Exploring the Future of EUV Lithography and Beyond,” 4 nov. 2024 ^[93]
T. Sterling, “Intel orders ASML system for well over $340 mln in quest for chipmaking edge,” Reuters, 19 jan. 2022 ^[94]
T. Sterling, “ASML’s next chip challenge: rollout of its new $350 mln ‘High NA EUV’ machine,” Reuters, 9 feb. 2024 ^[95]
TrendForce News, “ASML Confirms First High-NA EUV EXE:5200 Shipment…,” 17 jul. 2025 ^[96]
T. Sterling, “Dutch government excludes most ASML sales to China from export data,” Reuters, 17 jan. 2025 ^[97]
A. Shilov, “Nieuwe ‘stempel’-chipproductietechniek gebruikt 90% minder energie dan EUV,” Tom’s Hardware, 31 jan. 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, “Samsung Electronics start massaproductie op nieuwe EUV-lijn,” feb. 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “7nm FinFET Plus (N7+) Technologie – Eerste gebruik van EUV (2019)” ^[100]
S&P Global Market Intelligence, “ASML klaar voor door AI aangedreven herstel nu vraag naar EUV en High-NA toeneemt,” sept. 2023 ^[101]

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

Bekijk deze video op YouTube.

References