Den ultrafiolette revolusjonen: Inne i dei usynlege $150M-maskinane som formar framtida til mikrobrikker

Ultrafiolette litografimaskiner kostar meir enn 150 millionar dollar kvar og er på storleik med ein buss.
Bransjeobservatørar har gitt den siste generasjonen av desse verktøya kallenamnet «maskinene som redda Moore’s lov» fordi dei gjer det mogleg å lage moderne, leiande prosessorar.
ASML er den einaste leverandøren av EUV-litografisystem, med EUV-maskiner som kostar rundt 150–180 millionar dollar kvar.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) tok først i bruk EUV i stor skala på sin 7nm+ (N7+)-prosess i 2019.
Ekstrem ultrafiolett litografi brukar 13,5 nm lys som blir produsert ved å skyte ein høgeffektslaser på tinn-dropar for å lage plasma som sender ut EUV-stråling, med eit straumforbruk på over 1 megawatt.
ASML leverte det første High-NA EUV-verktøyet, EXE:5200, i 2025, som aukar numerisk opning til 0,55 og har mål om rundt 175 wafers i timen.
Dei første kommersielle EUV-brikkene kom i 2019, med TSMC sin 7nm+ (N7+)-prosess og Samsung sin 7LPP som brukte EUV.
Eksportkontrollar hindrar ASML frå å selje EUV til Kina, medan ASML sitt sal til Kina i 2024 var på rundt 7 milliardar dollar, mest frå DUV-maskiner.
Nikon og Canon trekte seg frå EUV-utvikling; Nikon leverer framleis 193 nm-immersjonsskannarar, medan Canon satsar på nanoimprint-litografi (NIL) med prøvesendingar i 2024.
Samsung sin 14 nm-klasse DRAM brukar EUV på fleire lag, og Micron planlegg å bruke EUV på sin neste DRAM-node.

Kvart moderne mikroprosessor – frå brikka i smarttelefonen din til CPU-ane som driv skya si AI – blir fødd under ultrafiolett lys. Faktisk brukar nokre av dei mest avanserte produksjonsmaskinene på jorda usynlege ultrafiolette laserar på silisiumskiver for å etsa dei nanosmå kretsane som får mikrobrikker til å fungere. Desse maskinene kostar meir enn $150 millionar kvar, er på storleik med ein buss, og opererer med nesten science fiction-aktig kompleksitet – men dei er dei usynlege arbeidshestane bak Moore’s lov og den kontinuerlege utviklinga mot raskare, mindre og meir effektive prosessorar ^[1], ^[2]. Bransjeobservatørar har til og med gitt den siste generasjonen av desse verktøya kallenamnet “maskinene som redda Moore’s lov,” fordi utan dei ville det vere praktisk talt umogleg å lage dei mest avanserte brikkene ^[3]. Denne rapporten tek deg med inn i verda av ultrafiolett litografi – både i tradisjonell djup ultrafiolett (DUV) og banebrytande ekstrem ultrafiolett (EUV) form – og forklarar korleis det fungerer, kvifor det er så avgjerande for utviklinga av mikroprosessorar, og kvar teknologien går vidare.

Ultrafiolett litografi kan høyrest ut som esoterisk ingeniørkunst, men påverknaden er svært reell og synleg i kvardagen vår. Ved å trykke stadig finare mønster av transistorar på silisium, gjer UV-litografi det mogleg for teknologibransjen å halde det imponerande tempoet i utviklinga. Som ein teknologianalytikar sa det rett ut: “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] Med andre ord: Framtida til mikrobrikker – og alle dingsar og innovasjonar dei driv fram – er no avhengig av å temje lys med svært korte bølgjelengder. Nedanfor forklarer vi korleis denne lysbaserte trykketeknikken fungerer, korleis ho har utvikla seg til den nyaste EUV-teknologien, kven dei viktigaste aktørane er (frå nederlandske ASML til brikkegigantar som TSMC, Samsung og Intel), siste gjennombrot (som neste generasjons EUV-maskiner og alternative teknikkar), og kva bransjeekspertar seier om vegen vidare.

Kva er ultrafiolett litografi?

I kjernen er litografi i brikkeproduksjon omtrent som fotografering på silisium. Ein silisiumskive blir dekt med eit lysfølsamt materiale (fotoresist), og ei maskin brukar fokusert lys til å projisere innfløkte kretsmønster på denne skiva gjennom ei maske som liknar ein sjablong. Mønstra svarar til dei små transistorane og leidningane som utgjer ein mikroprosessor. Der lyset treff, blir resistet kjemisk endra slik at desse områda kan etchast eller behandlast, medan dekka område er verna. Ved å gjenta denne prosessen lag for lag med ekstrem presisjon, bygg brikkeprodusentar opp den komplekse arkitekturen til ein moderne integrert krets.

Nøkkelen til oppløysing i denne “trykkje”-prosessen er bølgjelengda til lys. Akkurat som ein finare pensel let ein kunstnar måle mindre detaljar, let ei kortare lysbølgjelengd brikkeprodusentar etse finare strukturar. I fleire tiår har halvleiarindustrien jamt og trutt pressa mot kortare bølgjelengder på det elektromagnetiske spekteret for å trykkje stadig mindre transistorar ^[5]. Tidlege brikker på 1960-talet brukte synleg og lang-UV-lys (g-linje på 436 nm, i-linje på 365 nm), men på 1990-talet flytta det fremste seg inn i det djupe ultrafiolette området med kraftige excimerlaserar på 248 nm (KrF) og seinare 193 nm (ArF)^[6]. Lys på 193 nm – om lag 1/5 av bølgjelengda til synleg lys – vart arbeidshesten for produksjon av brikker gjennom 2000- og 2010-talet. Denne djupe UV (DUV) litografien gjorde det mogleg med minimumsstrukturar på om lag ~50 nm og under, særleg etter innføringa av triks som immersjonslinser og fleireksponeringar ^[7]. Faktisk var “excimerlaserlitografi” på 248 nm og 193 nm så vellukka at det dreiv Moore’s lov i om lag to tiår, og gjorde at transistordimensjonane kunne halde fram med å krympe og brikketettheita kunne halde fram med å doblast etter planen ^[8].

Men mot slutten av 1990-åra og tidleg på 2000-talet visste ingeniørane at dei nærma seg ein bølgelengde-vegg med 193 nm-lys ^[9]. For å mønstre funksjonar mykje mindre enn ~40–50 nm, måtte 193 nm-litografi ty til stadig meir innfløkte metodar: eksotiske optiske triks, fleirmønstring-steg (å eksponere det same laget fleire gonger med forskyvde masker for å oppnå finare effektiv avstand), og andre smarte løysingar ^[10], ^[11]. Desse teknikkane forlenga levetida til DUV-verktøya (faktisk strekte brikkeprodusentane 193 nm heilt ned til nodar marknadsført som 10 nm eller til og med 7 nm ved å bruke dobbel, trippel eller firedobbel mønstring), men til prisen av enorm kompleksitet, lågare utbytte og eksploderande produksjonskostnader. Midt på 2010-talet var det klart at tradisjonell DUV strekte seg for langt – bransjen trong eit sprang til ein kortare bølgelengde av lys for å halde Moore’s lov på sporet ^[12].

Djup ultrafiolett (DUV) litografi: Arbeidshesten

Djup UV-litografi (med ~248 nm og 193 nm laserar) har vore arbeidshest-teknologien for brikkeframstilling i mange generasjonar. DUV-verktøy er i hovudsak ekstremt presise projiserte avbildingssystem: dei skin eit UV-laser gjennom ein mønstra fotomaske og ei rekkje reduksjonslinser for å kaste eit miniatyrbilete på silisiumskiva. Moderne 193 nm-system fyller til og med gapet mellom linse og skive med ultrareint vatn (immersion litografi) for å effektivt auke den numeriske opninga til linsa og oppløyse mindre detaljar ^[13]. Med desse metodane vart 193 nm immersion litografi i stand til å trykke funksjonar langt under si nominelle bølgelengde – men berre ved å bruke oppløysingsforbetrande teknikkar og gjentatte eksponeringar. Til dømes, før EUV kom, vart leiande 7 nm-nodebrikker realisert med DUV ved å bruke fire separate maskeringssteg for eitt lag (firedobbel mønstring) – ein forbløffande kompleks øvelse i presisjonsjustering.

DUV-litografi er svært moden og påliteleg. DUV-maskiner frå selskap som ASML, Nikon og Canon handterer framleis dei fleste laga i chip-produksjon i dag (sjølv i dei mest avanserte fabrikkane er det berre dei mest kritiske laga som brukar EUV, medan mindre kritiske lag framleis brukar fleire DUV-eksponeringar). Desse maskinene er òg betydelig billegare enn dei nyaste EUV-verktøya – ein toppmodell immersjons-DUV-skanner kan koste rundt $50–$100 millionar, medan eit EUV-verktøy kostar $150+ millionar ^[14]. Som eit resultat er DUV-verktøy framleis uunnverlege ikkje berre for eldre generasjonar chipar (der strukturane er større og lettare å trykke), men òg som eit supplement til EUV i avanserte prosessar. Faktisk utgjer DUV-sal framleis hovuddelen av litografiutstyr som blir levert kvart år ^[15]. Chipprodusentar har ein enorm installert base av DUV-skannarar og omfattande erfaring med å bruke dei.

Likevel, trass i stadig forbetring, nådde 193 nm DUV ei grunnleggjande grense for kor mykje mindre ein kunne gå utan urimeleg innsats. Den praktiske oppløysinga i optisk litografi følgjer om lag Rayleigh-kriteriet: minimumsstruktur ≈ k₁ · (λ/NA), der λ er bølgjelengda og NA er linseopninga. Med λ fast på 193 nm og NA maksa ut rundt 1,35 (immersjon), pressa chipprodusentane k₁ til dei teoretiske grensene ved hjelp av datatriks – men for å halde fram med å krympe strukturane, måtte λ sjølv bli mindre. Rundt 2019 hadde leiande fabrikkar som TSMC og Samsung kommersielt introdusert ei ny lyskilde for litografi på 13,5 nm bølgjelengd – nesten 15× kortare enn DUV sine 193 nm ^[16]. Dette markerte starten på æraen for ekstrem ultrafiolett litografi.

Overgangen til ekstrem ultrafiolett (EUV) litografi

Ekstrem ultrafiolett litografi (EUV) bruker dramatisk kortare bølgjelengdelys – 13,5 nm, på grensa mellom UV og røntgenstrålar – for å eksponere brikker. Ved å gå over til denne mykje finare “penselen,” kan EUV skrive ut mykje mindre transistorar og detaljar med éi enkelt eksponering, og unngår mange av dei innfløkte multi-mønstringsstega som DUV treng på avanserte nodar ^[17]. I praksis har EUV-litografi gjort det mogleg å masseprodusere brikker på 7 nm, 5 nm og 3 nm teknologigenerasjonar, med langt færre prosess-steg og betre utbytte enn ein rein DUV-tilnærming. Til dømes brukte Taiwans TSMC EUV på nokre kritiske lag frå og med 7 nm+ (N7+)-prosessen i 2019 – den første kommersielle prosessen som brukte EUV ^[18] – og deretter mykje på 5 nm-nodane som driv prosessorar som Apple sin A15 og A16 Bionic smarttelefonbrikker ^[19]. Samsung starta på liknande vis masseproduksjon med EUV tidleg i 2019 på sin 7LPP-prosess og har sidan brukt EUV for 5 nm og til og med i minnebrikkeproduksjon^[20], ^[21]. Desse stega var banebrytande: ved å bruke 13,5 nm lys kunne brikkeprodusentar skrive ut detaljar med single-pattern-eksponeringar som tidlegare trong fleire DUV-pass, noko som forenkla produksjonen og gjorde det mogleg med tettare transistorpakking enn nokon gong før^[22].

Likevel var EUV-litografi ikkje ein enkel revolusjon. Det tok over to tiår med forsking og ~$9–10 milliardar i FoU-utgifter for å gjere EUV levedyktig for produksjon i høgt volum ^[23]^[24]. Utfordringane var enorme fordi 13,5 nm-lys oppfører seg svært annleis enn 193 nm-lys. For det første er inget materiale gjennomsiktig ved 13,5 nm – du kan ikkje bruke refraktive linser eller vanlege glasmaske. I staden brukar EUV-system eit optisk system berre med speglar: ei rekkje fint utforma multilagspeglar med spesielle belegg som reflekterer 13,5 nm-lys (kvar spegel reflekterer berre ein del av lyset, så med fleire speglar fell intensiteten dramatisk) ^[25]. Fotomaska er òg eit reflekterande spegelsubstrat i staden for ei gjennomsiktig glasplate. Alt dette må fungere i vakuum (luft ville absorbere EUV). Kort sagt er EUV-skannarar ein fullstendig omdesign av det optiske systemet samanlikna med DUV-verktøy, og involverer eksotisk optikk og ekstrem presisjon. Då er det lyskjelda: korleis lagar ein i det heile tatt høgintensitets 13,5 nm ultrafiolett lys? Svaret høyrest ut som science fiction: EUV-verktøy lagar lys ved å skyte ein pulserande høgkraftslaser mot små dropar av smelta tinn, 50 000 gongar i sekundet ^[26], ^[27]. Kvar laserpuls fordampar ein tinndrope til eit ekstremt heitt plasma som sender ut EUV-stråling – i praksis ei miniatyrstjerne-eksplosjon inne i maskina. Desse plasma-blinka produserer det ønskte 13,5 nm-lyset saman med mykje anna uønskt stråling og avfall, så systemet må filtrere og samle den rette bølgjelengda og skjerme alt anna. EUV-lyset blir så fokusert av spegeloptikken og retta mot waferen i mønster. Det er ein svært ineffektiv prosess når det gjeld lysproduksjon (mesteparten av energien går tapt som varme), og difor må laseren som driv kjelda vere ekstremt kraftig. Ei EUV-skannars lyskilde kan bruke i storleiksorden >1 megawatt med straum for å levere nok EUV-fotonar til masseproduksjon ^[28]. Til samanlikning brukar ein 193 nm excimer-laser berre ein brøkdel av denne effekten. Dette forklarar kvifor EUV-verktøy har massive krav til straum og kjøling, og kvifor alternative teknikkar som nanoimprint-litografi (som ikkje brukar laser i det heile) reklamerer med energisparing på ~90 % ^[29].

Den kompleksiteten stoppar ikkje der. Sidan EUV-foton er så energirike, kan dei skape subtile stokastiske effektar i fotoresisten (tilfeldige variasjonar som kan gi defektar om dei ikkje blir motverka), og EUV-masker kan ikkje lett vernast av vanlege pellicles (å utvikle spesielle EUV-pellicles var òg eit fleirårig prosjekt). Kvar del av systemet – frå vakuumsteg, til wafer-posisjonering med seks friheitsgrader i meter per sekund, til inspeksjon av feil på dei multilags-spegla – pressa ingeniørkunsten til det ytste. «Det er ein svært vanskeleg teknologi – når det gjeld kompleksitet er det truleg på nivå med Manhattan-prosjektet,» sa Intels litografidirektør, for å illustrere kor utfordrande det var å utvikle EUV ^[30].

For mange år tvilte mange ekspertar doubted EUV would ever work i tide. Store aktørar Nikon and Canon gave up på EUV-forsking etter å ha møtt for mange hinder, og ASML (Nederland) stod att som det einaste selskapet som dreiv teknologien framover^[31]^[32]. ASML sitt val lønte seg til slutt – men ikkje utan hjelp. I 2012, då dei såg den strategiske betydninga av EUV, Intel, TSMC, and Samsung jointly invested around $4 billion into ASML for å få fart på EUV-utviklinga ^[33]. I 2017, ASML finally unveiled a production-ready EUV scanner (modell NXE:3400B), og i 2019 kom dei første kommersielle brikkene laga med EUV på marknaden ^[34]^[35]. Bransjeobservatørar kalla det eit vendepunkt – den lenge utsette EUV-revolusjonen kom akkurat tidsnok til å forlenge veikartet for halvleiarar. Som MIT Technology Review skreiv, er ASML si EUV-maskin “a coveted device… used in making microchip features as tiny as 13 nanometers… filled with 100,000 tiny mechanisms… it takes four 747s to ship one to a customer” ^[36]. Kort sagt er EUV-skannarar marvels of modern engineering som nyttar ultrafiolett lys på ein skala og med ein kompleksitet vi aldri har sett før.

Kvifor UV-litografi er viktig for mikroprosessorar

Utbyttet av all denne kompleksiteten er enkelt: mindre transistorer og høgare ytelse på brikka. Ved å trykke finare strukturar, kan brikkeprodusentar stappe fleire transistorar inn på same areal (som vanlegvis betyr meir datakraft eller lågare kostnad per brikke) og redusere dei elektriske kapasitansane og avstandane signala må krysse (som betyr raskare svitsjehastigheit og lågare straumforbruk). Dette er kjernen i Moore’s lov – å krympe transistor-dimensjonar for å få plass til fleire i kvar brikkegenerasjon – og litografi er den grunnleggjande mogleggjeraren for denne framgangen ^[37], ^[38]. Når du høyrer om ein ny smarttelefonbrikke laga på ein “3 nm-prosess” eller ein server-CPU på “5 nm EUV-teknologi”, reflekterer desse tala i stor grad kva avansert litografi kan gjere for å definere ekstremt små strukturar (sjølv om node-namna er litt marknadsføring, samsvarer dei med tettleiksforbetringar som EUV har gjort mogleg).

Ultrafiolett litografi si betydning kjem kanskje best fram om ein ser på kva som ville skjedd utan desse framstega. Dersom industrien hadde halde seg til berre 193 nm DUV, kunne brikkeprodusentar kanskje framleis ha funne måtar å lage svært kraftige brikker på – men dei ville trengt så mange repeterande prosess-steg (og kompleksitet som øydelegg utbyttet) at kostnadene ville skote i vêret og framgangen ville ha sakka dramatisk av. Rundt midten av 2010-talet var det faktisk nokre som spådde Moore’s lov sin nært føreståande slutt fordi optisk litografi møtte veggen. EUV kom akkurat tidsnok til å gi ei ny livline. Ved å gjeninnføre enklare mønstring med éi eksponering i fronten av utviklinga, har EUV forlenga skaleringa si vegkart i alle fall nokre generasjonar til. Ei rekkje av dei mest avanserte brikkene i dag eksisterer takka vere EUV. Til dømes er dei nyaste A-serie smarttelefonprosessorane og M-serie Mac-brikkene til Apple produserte av TSMC med 5 nm EUV-prosessar, noko som gjer det mogleg å ha transistor-tal på titals milliardar og store sprang i fart og effektivitet samanlikna med tidlegare generasjonar ^[39]. AMD sine Ryzen-CPUar og GPUar, mange av dei laga på TSMC sine 7 nm eller 5 nm EUV-noder, får òg glede av tettleiksauke og straumsparing. Sjølv dei mest avanserte AI-akseleratorane og datasenterprosessorane – dei som driv store AI-modellar – er avhengige av EUV-baserte 5 nm/4 nm-prosessar for å pakke matrise-motorar tett og handtere varmeutvikling.

Det er ikkje berre logikkbrikker. Minnebrikker tener òg på framsteg innan UV-litografi. Produsentar av høgytelses-DRAM har byrja å bruke EUV for visse kritiske lag i dei nyaste generasjonane (t.d. brukar Samsung si 14 nm-klasse DRAM EUV på fleire lag) for å auke bit-tettleiken og forbetre utbyttet ^[40]. Micron innfører òg EUV i sitt neste DRAM-nivå. Fleire EUV-lag i minne tyder fleire gigabit lagring per brikke og lågare kostnad per bit, noko som til slutt betyr meir minne i einingane dine for same pris. Faktisk har ASML-sjef Peter Wennink peika på at aukande etterspurnad etter KI og data pressar minneprodusentar til å ta i bruk EUV raskt – “DRAM manufacturers are using more EUV layers on current and future nodes”, sa han, noko som aukar etterspurnaden etter desse verktøya i heile bransjen ^[41].

Kort sagt, UV-litografi påverkar mikroprosessor-evna direkte. Evna til å lage mindre transistorar gjer ikkje berre at du kan få plass til fleire kjerner eller meir hurtigminne på ein brikke, men kan òg redusere straumen som trengst for kvar transistorbryting. Difor gir kvar nye prosessteknologigenerasjon ofte ein 15–30 % ytelsesauke og 20–50 % straumreduksjon med same design, eller alternativt mogleggjer dobling eller meir av transistortettleik. Til dømes gav TSMC sitt byks frå ein 7 nm (hovudsakleg DUV) prosess til 5 nm (EUV) om lag 1,8× auke i logikktettleik og ~15 % fartsauke ved same effekt ^[42]. Desse forbetringane gir raskare smarttelefonar, meir effektive datasenter og gjennombrot innan høgtytande databehandling. Ultrafiolett litografi er den usynlege handa som skjer desse forbetringane inn i silisiumet. Som ein forskingsdirektør i bransjen oppsummerte det: “Without EUV, you can’t really make any leading-edge processors”^[43] – så avgjerande er det for å halde seg på framstegskurva.

Dagens leiande teknologi og hovudaktørar

Per 2025 ligg ultrafiolett litografi i hjartet av alle avanserte brikkefabrikkar, og det er dominert av nokre få sentrale aktørar og teknologiar. Her er eit blikk på dagens landskap og dei viktigaste drivkreftene:

ASML (Nederland) – Hovudaktøren innan litografi. ASML er den einaste leverandøren av EUV-litografisystem globalt ^[44]. På slutten av 2010-talet vart dei det første (og einaste) selskapet som kommersialiserte EUV-skannarar, etter at konkurrentane trekte seg ut ^[45]. EUV-verktøya deira (kvart kostar rundt 150–180 millionar dollar ^[46], ^[47]) blir brukt av alle leiande produsentar av avanserte brikker. ASML produserer òg DUV-skannarar (der dei konkurrerer med Nikon/Canon om marknadsdelar). Takket vere EUV har ASML vakse til å bli eit av verdas mest verdifulle halvleiarutstyrsselskap – og har i praksis eit monopol på den mest avanserte litografiteknologien. Eit enkelt toppmoderne fabrikk kan trenge 10–20 ASML EUV-maskiner, noko som utgjer ei investering på fleire milliardar dollar. Per 2021 var over 100 EUV-verktøy allereie i bruk ^[48], og talet aukar etter kvart som TSMC, Samsung og Intel utvidar bruken av EUV. (Merk at eksportkontrollar for tida hindrar ASML i å selje EUV-maskiner til Kina, på grunn av deira strategiske betydning ^[49].)
TSMC (Taiwan) – Grunnleggjar innan Foundry og EUV. TSMC er verdas største kontraktsbaserte brikkeprodusent og var den første til å ta i bruk EUV i volumproduksjon (deira 7nm+ “N7+”-node i 2019 var bransjens første EUV-prosess) ^[50]. Sidan har TSMC nytta EUV i stor grad for si 5 nm-generasjon (2019–2020) og 4 nm/3 nm-noder, og produserer brikker for Apple, AMD, Nvidia og mange andre med verdsklasse-utbytte. Ved å bruke EUV på fleire kritiske lag, oppnådde TSMC dei tettleiksaukingane som definerer desse nodene. TSMC si leiing i å meistre EUV tidleg er ein stor grunn til at dei har gått forbi Intel i prosessteknologi dei siste åra. Framover planlegg TSMC å halde fram med å bruke dagens EUV (0.33 NA) gjennom sine 3 nm og til og med 2 nm-noder, og vurderer neste generasjons EUV for det som kjem etter ^[51]. (Interessant nok har TSMC indikert at dei kanskje ikkje vil skunde seg med å ta i bruk dei første High-NA EUV-verktøya for sine 2 nm-prosessar rundt 2027–2028, men heller vente til økonomien tilseier det ^[52].)
Samsung (Sør-Korea) – Adopterar av minne og logikk. Samsung var raskt ute med å ta i bruk EUV for logikk, og annonserte 7 nm EUV-produksjon allereie i 2019 (deira Exynos-mobilprosessorar og nokre Qualcomm Snapdragon-brikker brukte desse). Samsung leia òg an i bruk av EUV i minne, og vart først til å bruke EUV i DRAM-produksjon (for si 1z-nm DRAM-node) og i V-NAND-lagring ^[53]. Samsungs EUV-klare fabrikkline i Hwaseong har vore eit utstillingsvindauge, og selskapet held fram med å investere i EUV for både foundry- og minneverksemda si. I likskap med TSMC er Samsung kunde av ASML sine komande High-NA EUV-verktøy, sjølv om rapportar tyder på at Samsung ikkje har avgjort når dei vil ta desse i bruk i produksjon ^[54]. I mellomtida nyttar Samsungs noverande flaggskipprosessar (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around-transistorar) alle EUV for å redusere maskeringssteg. Samsung produserer òg framleis mange brikker med DUV og eldre verktøy, men for det fremste er dei fullt inne på EUV.
Intel (USA) – Kjempar for å kome attende i tet. Intel, som lenge var leiande innan litografi, møtte forseinkingar på 10 nm-noden sin (som brukte avansert DUV-multimønstring) og vart difor hengande etter i innføringa av EUV. Men dei har sidan investert tungt for å ta att forspranget. Intels nyaste prosessteknologiar (merkte “Intel 4”, “Intel 3”, om lag tilsvarande ~7 nm og ~5 nm-klassen) brukar EUV-litografi for fleire lag – Intel 4, til dømes, nyttar EUV i produksjonen av selskapet sine komande Meteor Lake CPU-ar ^[55]. Intel var òg ein tidleg investor i ASML og har sikra seg førsterett til ASML sine High-NA EUV-maskiner: dei fekk verdens første High-NA EUV-verktøy (EXE:5000-serien) i 2023 for FoU og er venta å få det første produksjonsklare High-NA-verktøyet (EXE:5200) innan 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel planlegg å bruke desse High-NA EUV-skannarane for sine 1,8 nm- og 14Å-generasjonsnoder (~2027-tidsramme) som del av sin ambisiøse plan for å vinne att prosessleiarskapen ^[58], ^[59]. Med ny toppleiing profilerer Intel seg ope på satsinga på EUV og til og med tenester som foundry der dei brukar EUV til å lage brikker for andre selskap i nær framtid.
Nikon og Canon (Japan) – Veteranar innan DUV, utforskar alternativ. Nikon og Canon var ein gong dominerande leverandørar av litografiutstyr (på 1990-talet leia særleg Nikon innan avanserte stepparar). Dei held fram med å produsere DUV-litografiverktøy – faktisk leverte Nikon i mange år maskiner til Intel og minneprodusentar. Men ingen av selskapa leverte ei EUV-løysing: begge trekte seg frå EUV-utvikling etter forsking tidleg på 2000-talet, og overlet den marknaden til ASML ^[60]. I dag sel Nikon framleis 193 nm immersjonsskannarar for høgvolumsproduksjon (særleg brukt i fabrikkar som ikkje er heilt i front, eller som komplementære verktøy), medan Canon har fokusert på spesialiserte nisjar som nanoimprint-litografi (NIL). Canons nye NIL-maskiner prøver å “stemple” brikkemønster mekanisk og hevder ein tidels kostnad og 90 % lågare straumforbruk enn EUV-verktøy^[61]^[62]. Canon byrja å sende ut sine første NIL-verktøy for utprøving i 2024 ^[63]. Nokre ser på NIL som ein potensiell disruptiv teknologi for visse bruksområde (det kan brukast saman med konvensjonell litografi for enklare lag eller minnebrikker), men det er enno ikkje bevist for høgvolum, høgaste tettleik innan logikkproduksjon ^[64]. For no er Nikon og Canon framleis viktige innan DUV (og for eldre nodar), men ASML har eit effektivt monopol på den avanserte litografien som trengst for dei mest avanserte mikroprosessorane.
Kinas ambisjonar – Å tette gapet under restriksjonar. Kina, som har store chipfabrikkar som SMIC, manglar for tida tilgang til EUV-teknologi – ASML har aldri fått lov til å selje EUV-skannarar til Kina på grunn av eksportrestriksjonar leia av USA cnfocus.com. Sjølv sal av ASML sine nyaste DUV-immersjonsverktøy til Kina er no underlagt lisens frå nederlandske styresmakter frå og med 2023 ^[65]. Dette har ført til kinesiske forsøk på å utvikle eigen litografi. Det leiande kinesiske litografiutstyrsselskapet, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), skal ha bygd maskiner som klarer 90 nm og 28 nm DUV-litografi, men ingenting i nærleiken av EUV enno (EUV involverer eit stort økosystem av patent og vanskelege fysiske problem). Som følgje av dette har kinesiske fabrikkar som SMIC klart å produsere ein 7 nm-liknande chip ved å bruke eldre DUV fleirmønstring, men dei ligg framleis fleire generasjonar bak den leiande kanten som krev EUV. Globale marknadstrendar er difor djupt samanvovne med geopolitikk: litografiverktøy har blitt ein strategisk ressurs. I 2024 var ASML sitt sal til Kina (hovudsakleg DUV-verktøy) på om lag 7 milliardar dollar ^[66], men framtidig vekst er usikker på grunn av strengare eksportkontrollar. Samstundes er etterspurnaden stor andre stader, så ASML ventar at EUV-verksemda deira vil auke med ~30 % i 2025 trass mogleg motvind frå Kina ^[67], ^[68].

Utfordringar og nye framsteg

Sjølv om ultrafiolett litografi har gjort imponerande framsteg mogleg, står det òg overfor store utfordringar som driv vidare innovasjon. Her er nokre sentrale smertepunkt og dei siste framstega som adresserer dei:

Verktøykostnad og kompleksitet: Prislappen på EUV-skannere (~150 millionar dollar eller meir per stykk) og deira enorme kompleksitet aukar terskelen for å kome inn for brikkeprodusentar ^[69]. Berre nokre få selskap har råd til store flåtar av desse verktøya. For å rettferdiggjere kostnaden, treng fabrikkane høg utnytting og høgt utbytte. Framsteg: Neste generasjons High-NA EUV-verktøy er endå dyrare (>300 millionar dollar per stykk) ^[70], men lovar høgare gjennomstrøyming og oppløysing, noko som potensielt kan senke kostnad per transistor. I tillegg bidreg innsats innan maskinlæring og berekningslithografi til å maksimere ytinga til kvart verktøy (ved å forbetre mønsternøyaktigheit og prosessvindauge).
Gjennomstrøyming (skannerfart): Tidlege EUV-verktøy handsama færre skiver per time enn DUV-variantane, delvis på grunn av avgrensa kjeldeeffekt og meir skjøre optikk. Låg gjennomstrøyming betyr lågare produktivitet i fabrikken. Framsteg: EUV-kjeldeeffekt har jamt over blitt betre (dagens kjelder overstig 250 W, mot ~125 W i dei første produksjonsverktøya), og ASML sine nyaste EUV-skannere kan eksponere ~160 skiver/time under optimale forhold. Dei komande High-NA EUV-systema vil ha omdesigna optikk med høgare numerisk opning 0,55 mot 0,33, noko som forbetrar oppløysinga, men i starten reduserer feltstorleiken. For å kompensere, utviklar ASML desse verktøya for til slutt å nå ~185 skiver/time i gjennomstrøyming. Faktisk sende ASML nettopp ut sin første High-NA EUV-modell (EXE:5200) i 2025 og seier dei vil levere ein produktivitetsauke på 60 % over dagens EUV-verktøy – om lag 175 skiver/time, som er på nivå med DUV-skannere ^[71].
Defektar og utbytte: Sidan EUV brukar reflekterande masker og opererer i nanoskala-dimensjonar, er defektkontroll eit stort tema. Små maskedefektar eller partiklar kan bli trykt på skiva, og EUV-fotoresist og prosess kan vise tilfeldige defektar (stokastiske problem) om dei ikkje er optimaliserte. Framsteg: Bransjen har utvikla beskyttande maskepelliclar for EUV (for å halde partiklar unna maska) etter mange iterasjonar. Fotoresistkjemi er òg i utvikling – nye resistmateriale og underlagsteknikkar har forbetra sensitivitet og linjekant-råskap. Brikkeprodusentar rapporterer at dei første utbytteproblema med EUV i stor grad er løyste, og defektratar er samanliknbare med tidlegare nodar ^[72]. Likevel held forskarar fram med å forbetre resist- og masketeknologi (inkludert å utforske metalloksidresist og andre nye tilnærmingar for EUV).
Straumforbruk: Som nemnt, er EUV-skannarar svært energikrevjande – kvar av dei kan trekke om lag ein megawatt straum mellom lasersource, vakuumpumper og kjølesystem ^[73]. Dette bidreg til dei betydelege driftskostnadene og aukar det miljømessige fotavtrykket til fabrikkane. Framsteg: Alternative litografimetodar som Nanoimprint har som mål å kutte straumforbruket drastisk (Canon hevder 90 % lågare energibruk) ^[74]. Innanfor EUV sjølv jobbar ingeniørar for meir effektive kjelder (t.d. høgare konverteringseffektivitet frå laserenergi til EUV-lys) slik at framtidige verktøy produserer meir lys med mindre tilført energi. Sjølv små forbetringar i kjeldeeffektivitet eller spegelreflektivitet kan gi betydelege straumsparing over tusenvis av waferar.
Avgrensingar for optisk oppløysing: Sjølv EUV på 13,5 nm vil til slutt møte skaleringgrenser. Dei noverande EUV-verktøya (0,33 NA) kan komfortabelt lage mønster med ~30 nm pitch; utover det vil ein trenge fleire mønstringar eller High-NA EUV for ~2 nm node og mindre. Framsteg: High-NA EUV er i praksis det neste store steget – ved å auke linsa si NA til 0,55 med ein ny optisk design (som for øvrig krev ny 6-tommars maskestorleik og heilt ny verktøyplattform), vil desse systema kunne oppløyse strukturar som er ~30–40 % mindre ^[75]. ASML seier High-NA EUV kan nesten triple transistortettleiken på brikker ved å mogleggjere finare strukturar og tettare pitch ^[76]. Dei første High-NA EUV-verktøya er venta i pilotbruk hos Intel rundt 2025–2026, med mål om høgvolumsbruk rundt ~2028 ^[77]. Denne utvidinga skal ta industrien gjennom 2 nm, 1,5 nm og 1 nm node (trass i namngjevinga vil desse ha strukturpitch i låge titals nanometer). Utover det kan andre tilnærmingar bli nødvendige (som “Beyond EUV”-konsept med endå kortare bølgjelengder, eller revolusjonerande mønstringsmetodar).
Alternative litografiteknikkar: Konsentrasjonen av kritisk litografikapasitet i eitt selskap (ASML) og éi teknologi (EUV) har ført til interesse for alternative eller supplerande teknikkar. Framsteg: I tillegg til Canons NIL, pågår det arbeid med Directed Self-Assembly (DSA) – bruk av spesielle material som spontant dannar svært fine mønster, noko som kan utfylle litografi for visse strukturar. Ein annan tilnærming er foton- eller kvantelittografi, som framleis i stor grad er akademisk. E-bjelkelitografi (direkteskriving med elektronbjelkar) blir brukt til maskelaging og prototypar, men er for tregt for masseproduksjon. Likevel utforskar selskap multi-bjelke e-bjelke-verktøy for nisjepreging. Desse alternativa, om dei blir modne, kan ein dag redusere belastninga på optisk litografi eller kutte kostnader for enkelte lag. For no er dei “kjekt å ha”-forsking, medan optisk UV-litografi framleis er den uunnverlege bærebjelken.

Ekspertinnsikt og framtidsutsikter

Det er semje blant bransjeekspertar om at ultrafiolett litografi vil halde fram med å vere hjørnesteinen i brikkeproduksjon i overskodeleg framtid, om enn med stadig utvikling. “Vi held fram med å utvikle og forbetre… det er ein bratt læringskurve for oss og kundane våre,” sa ein talsperson for ASML om innføringa av High-NA EUV, og understreka at kvart nytt sprang (som High-NA) krev omfattande finjustering ^[78]. Analytikarar åtvarar òg om at kostnadseffektivitet vil styre innføringa: “Sjølv om nokre brikkeprodusentar kan ta i bruk [High-NA EUV] tidlegare for å få teknologileiing, vil dei fleste ikkje ta det i bruk før det er økonomisk fornuftig,” påpeika Jeff Koch i SemiAnalysis, og spådde at dei fleste vil vente til rundt 2030 når fordelane veg opp for utgiftene^[79]. Som svar insisterer ASML-sjef Peter Wennink på at High-NA vil vise seg lønnsam tidlegare: “Alt vi ser hos kundane er at High-NA er billegare [for dei]” for å oppnå neste nivå med skalering ^[80]. Dette optimistiske synet tyder på at, etter kvart som kompleksiteten aukar, kan meir avansert litografi faktisk redusere dei totale kostnadene ved å kutte ut ekstra prosess-steg.

Ein kan ikkje overvurdere ASML si sentrale rolle – noko som ikkje har gått upåakta hen hos styresmaktene. I ei verd der toppmoderne brikker gir økonomiske og militære fordelar, har litografiutstyr blitt ein strategisk ressurs. Den nederlandske regjeringa (med støtte frå USA) har strengt avgrensa ASML sine eksportar av avanserte verktøy til Kina ^[81], eit tiltak som har som mål å “stogge Beijing sine halvleiarambisjonar”^[82]. Dette har ført til ei todeling av den globale brikkeforsyningskjeda: dei mest avanserte logikkbrikkene blir for tida berre produserte nokre få stader (Taiwan, Sør-Korea, og snart USA via TSMC/Intel-fabrikkar), alle med bruk av ASML sine EUV-maskiner. Kina investerer tungt for å ta igjen på eldre node-teknologi og utvikle eigen litografi, men ekspertar anslår at det kan ta mange år å nærme seg same nivå, om det i det heile er mogleg, gitt dei store kunnskaps- og IP-barrierane.

I mellomtida aukar etterspurnaden etter UV-litografiverktøy kraftig i takt med halvleiarboomen. Veksten innan KI og høgytelsesdatabehandling gjer at leiande fabrikkar utvidar kapasiteten. ASML sine ordrebøker for EUV-verktøy nådde rekordhøge nivå – i eitt nyleg kvartal auka bestillingane til 10 milliardar dollar, i hovudsak for framtidige EUV- og High-NA-system ^[83]. Selskapet spår at EUV-relaterte inntekter vil auke med om lag 40–50 % i 2025 ^[84], noko som vil bidra til å auke dei totale salstala sjølv om etterspurnaden frå minne eller Kina går tregare ^[85]. Med andre ord, marknaden for toppmoderne litografi er robust og veks, og ASML ventar å levere fleire dusin EUV-einingar kvart år. Innan 2030 vil truleg High-NA EUV vere utbreidd, og samtalen vil dreie seg om kva som kjem etter EUV-æraen.

Kva kan kome neste? Nokre forskarar snakkar om “Beyond EUV” – kanskje ved å bruke endå kortare bølgjelengder i området for mjuke røntgenstrålar (~6–8 nm) eller elektron-/ion-projeksjonslitografi – men kvar av desse vegane møter store fysiske utfordringar. For no er strategien i bransjen å få mest mogleg ut av EUV: først ved å ta i bruk High-NA EUV for 1–2 nye generasjonar med krymping, og ved å kombinere EUV med smarte prosessløysingar (slik som chiplet-arkitektur og 3D-stabling, som reduserer behovet for monolittisk 2D-krymping). Litografi vil framleis vere ein kombinasjon av teknikkar: DUV forsvinn ikkje (det vil bli brukt saman med EUV), og nye metodar som nanoimprint kan finne ein nisje for å supplere hovudprosessane dersom dei viser seg å vere gode nok. Men eit radikalt brot med optisk litografi vil truleg krevje eit paradigmeskifte i brikkedesign òg – noko som enno ikkje er i sikte for produksjon i stort volum.

Med orda til styreleiaren i TSMC, Mark Liu, har halvleiarindustrien “arbeidd i ein tunnel” med eit klart mål i fleire tiår: krymp, krymp, krymp ^[86]. Ultrafiolett litografi har vore lyset som har leia gjennom tunnelen. Det starta med kvikksølvlampor og primitiv UV, gjekk vidare til excimer deep-UV-laserar som bar oss i over 20 år ^[87], og har no nådd extreme-UV-æraen, som forlenger tunnelen endå meir. Reisa har vore alt anna enn enkel – prega av triumf og hyppig tvil – men resultatet er oppsiktsvekkande: milliardar av strukturar berre nokre titals atom breie, mønstra feilfritt over store skiver, som gjer mogleg datakraft som verka umogleg for berre éi generasjon sidan.

Når vi ser framover, er mikroprosessorutvikling meir samanvoven med litografi enn nokon gong før. Ytinga og eigenskapane til dei neste CPU-ane, GPU-ane og AI-akseleratorane vil i stor grad bli avgjort av kor fint og påliteleg vi kan trykke funksjonane deira. Ultrafiolett litografi er hovudverktøyet som gjer dette mogleg. Ekspertar i bransjen er optimistiske og trur at med vidare innovasjonar – frå High-NA-optikk til smartare programvare og kanskje nokre utradisjonelle idear som NIL eller DSA – vil litografi halde fram med å levere. CEO-en i ASML antydar til og med at veikartet for EUV og utvidingane er solid for det neste tiåret, og gir brikkeprodusentane ein klar veg vidare for å halde fram med forbetringar. Globale marknadstrendar viser sunn vekst og hard konkurranse, men òg ei samling rundt nokre få avgjerande teknologiar og leverandørar.

Oppsummert er verda til ultrafiolett litografi ein fusjon av banebrytande fysikk og ingeniørkunst med høginnsatsøkonomi og strategi. Det skjer kanskje i det usynlege UV-lyset, men verknaden er tydeleg i form av stadig kraftigare mikroprosessorar år etter år. Neste gong du høyrer om eit nytt “nanometer”-gjennombrot, hugs den ultrafiolette revolusjonen som jobbar i kulissane. Frå deep UV til extreme UV og vidare, desse teknologiane formar verkeleg framtida til mikrobrikker – og rissar inn dei neste linjene i historia om menneskeleg teknologisk framgang, eitt fotonblink om gongen.

Kjelder

C. Thompson, “Inne i maskina som redda Moore’s lov,” MIT Technology Review, 27. okt. 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, “Fotolitografi – Dagens mest avanserte verktøy brukar 193 nm djupt UV excimer-laserar” ^[90]
M. Chaban, “Lyser vegen: Korleis ASML gjenoppliva Moore’s lov,” Google Cloud Blog, 28. mars 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Utforskar framtida til EUV-litografi og vidare,” 4. nov. 2024 ^[93]
T. Sterling, “Intel bestiller ASML-system for godt over $340 mill. i jakta på chip-fordel,” Reuters, 19. jan. 2022 ^[94]
T. Sterling, “ASML si neste chip-utfordring: lansering av den nye $350 mill. ‘High NA EUV’-maskina,” Reuters, 9. feb. 2024 ^[95]
TrendForce News, “ASML stadfestar første High-NA EUV EXE:5200-levering…,” 17. juli 2025 ^[96]
T. Sterling, “Nederlandsk regjering utelèt dei fleste ASML-sal til Kina frå eksportdata,” Reuters, 17. jan. 2025 ^[97]

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

Watch this video on YouTube.

References