Ultrafialová revolúcia: Vnútri neviditeľných strojov za 150 miliónov dolárov, ktoré formujú budúcnosť mikročipov

Ultrafialové litografické stroje stoja viac ako 150 miliónov dolárov za kus a sú veľké ako autobus.
Pozorovatelia v odvetví prezývajú najnovšiu generáciu týchto nástrojov „stroje, ktoré zachránili Moorov zákon“, pretože umožňujú moderné špičkové procesory.
ASML je jediným dodávateľom EUV litografických systémov, pričom EUV stroje stoja približne 150–180 miliónov dolárov za kus.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) prvýkrát nasadila EUV vo veľkom objeme na svojom procese 7nm+ (N7+) v roku 2019.
Extrémna ultrafialová litografia používa 13,5 nm svetlo vytvorené vystrelením vysoko výkonného lasera na kvapky cínu, čím vzniká plazma, ktorá vyžaruje EUV žiarenie; spotreba energie stroja presahuje 1 megawatt.
ASML dodala prvý High-NA EUV stroj, EXE:5200, v roku 2025, ktorý zvyšuje numerickú apertúru na 0,55 a cieli na približne 175 waferov za hodinu.
Prvé komerčné EUV čipy boli uvedené na trh v roku 2019, pričom TSMC proces 7nm+ (N7+) a Samsung 7LPP využívajú EUV.
Vývozné obmedzenia blokujú ASML v predaji EUV do Číny, zatiaľ čo v roku 2024 dosiahli tržby ASML v Číne približne 7 miliárd dolárov, väčšinou z DUV strojov.
Nikon a Canon sa stiahli z vývoja EUV; Nikon naďalej dodáva 193 nm imerzné skenery, zatiaľ čo Canon sa zameriava na nanoimprintovú litografiu NIL s testovacími dodávkami v roku 2024.
Samsungova DRAM triedy 14 nm používa EUV na viacerých vrstvách a Micron plánuje EUV pre svoj ďalší DRAM uzol.

Každý moderný mikroprocesor – od čipu vo vašom smartfóne až po CPU poháňajúce cloudovú AI – sa rodí pod ultrafialovým svetlom. V skutočnosti niektoré z najpokročilejších výrobných strojov na Zemi žiaria neviditeľné ultrafialové lasery na kremíkové doštičky, aby vyryli nanoskopické obvody, vďaka ktorým mikročipy fungujú. Tieto stroje stoja viac ako 150 miliónov dolárov za kus, sú veľké ako autobus a fungujú s takmer sci-fi zložitosťou – napriek tomu sú nenápadnými ťažnými koňmi za Moorovým zákonom a neustálym pokrokom k rýchlejším, menším a efektívnejším procesorom ^[1], ^[2]. Pozorovatelia v odvetví dokonca prezývajú najnovšiu generáciu týchto nástrojov „stroje, ktoré zachránili Moorov zákon,“ pretože bez nich by výroba špičkových čipov bola prakticky nemožná ^[3]. Táto správa sa ponára do sveta ultrafialovej litografie – v jej tradičnej hlbokej ultrafialovej (DUV) aj špičkovej extrémnej ultrafialovej (EUV) podobe – vysvetľuje, ako funguje, prečo je taká kľúčová pre vývoj mikroprocesorov a kam smeruje ďalej.

Ultrafialová litografia môže znieť ako ezoterické inžinierstvo, ale jej vplyv je veľmi reálny a viditeľný v našom každodennom živote. Tlačením čoraz jemnejších vzorov tranzistorov na kremík ultrafialová litografia priamo umožňuje pozoruhodné tempo zlepšovania technologického priemyslu. Ako to jeden technologický analytik stručne vyjadril, „Mooreov zákon sa v podstate rozpadá a bez tohto stroja je koniec. Skutočne nemôžete vyrábať žiadne špičkové procesory bez EUV.“^[4] Inými slovami, budúcnosť mikročipov – a všetkých zariadení a inovácií, ktoré poháňajú – teraz závisí od využitia svetla na veľmi krátkych vlnových dĺžkach. Nižšie rozoberieme, ako táto tlač na báze svetla funguje, ako sa vyvinula do najnovšej EUV technológie, kto sú hlavní hráči (od holandského výrobcu nástrojov ASML po čipových gigantov ako TSMC, Samsung a Intel), nedávne prelomové objavy (ako stroje novej generácie EUV a alternatívne techniky) a čo hovoria odborníci z odvetvia o ďalšom vývoji.

Čo je ultrafialová litografia?

V jadre je litografia pri výrobe čipov podobná fotografii na kremíku. Kremíkový wafer je potiahnutý na svetlo citlivým materiálom (fotorezist), a stroj používa zaostrené svetlo na projekciu zložitých vzorov obvodov na tento wafer cez masku podobnú šablóne. Vzory zodpovedajú drobným tranzistorom a vedeniam, ktoré tvoria mikroprocesor. Tam, kde svetlo dopadne, chemicky zmení rezist, takže tieto oblasti môžu byť leptané alebo spracované, zatiaľ čo zakryté oblasti zostanú chránené. Opakovaním tohto procesu vrstvu po vrstve s extrémnou presnosťou výrobcovia čipov budujú zložitú architektúru moderného integrovaného obvodu.

Kľúčom k rozlíšeniu v tomto „tlačovom“ procese je vlnová dĺžka svetla. Rovnako ako jemnejší štetec umožňuje umelcovi maľovať menšie detaily, kratšia vlnová dĺžka svetla umožňuje výrobcom čipov vytvárať jemnejšie prvky. Po desaťročia sa polovodičový priemysel neustále posúval k kratším vlnovým dĺžkam na elektromagnetickom spektre, aby mohol „tlačiť“ stále menšie tranzistory ^[5]. Prvé čipy v 60. rokoch používali viditeľné a dlhé UV svetlo (g-línia pri 436 nm, i-línia pri 365 nm), ale v 90. rokoch sa špičková technológia presunula do oblasti hlbokého ultrafialového žiarenia s výkonnými excimerovými lasermi pri 248 nm (KrF) a neskôr 193 nm (ArF)^[6]. Svetlo s vlnovou dĺžkou 193 nm – asi 1/5 vlnovej dĺžky viditeľného svetla – sa stalo základom výroby čipov počas 2000-tych a 2010-tych rokov. Táto hlboká UV (DUV) litografia umožnila minimálne prvky na úrovni ~50 nm a menej, najmä po zavedení trikov ako imerzné šošovky a viacnásobné expozície ^[7]. V skutočnosti „excimerová laserová litografia“ pri 248 nm a 193 nm bola taká úspešná, že poháňala Moorov zákon približne dve desaťročia, čo umožnilo, aby sa veľkosti tranzistorov neustále zmenšovali a hustota čipov sa zdvojnásobovala podľa plánu ^[8].

Avšak koncom 90. rokov a začiatkom 21. storočia si inžinieri uvedomovali, že sa blížia k vlnovej stene s 193 nm svetlom ^[9]. Na vytváranie štruktúr oveľa menších ako ~40–50 nm musela 193 nm litografia využívať čoraz zložitejšie metódy: exotické optické triky, viacnásobné maskovanie (exponovanie tej istej vrstvy viackrát s posunutými maskami na dosiahnutie jemnejšieho rozostupu) a ďalšie šikovné obchádzky ^[10], ^[11]. Tieto techniky predĺžili životnosť DUV zariadení (v skutočnosti výrobcovia čipov natiahli 193 nm až na uzly uvádzané ako 10 nm alebo dokonca 7 nm použitím dvojitého, trojitého alebo štvoritého maskovania), ale za cenu obrovskej zložitosti, nižšej výťažnosti a prudko rastúcich výrobných nákladov. V polovici 2010-tych rokov bolo jasné, že tradičné DUV má problém ísť ďalej – odvetvie potrebovalo prechod na kratšiu vlnovú dĺžku svetla, aby sa udržal trend Moorovho zákona ^[12].

Hlboká ultrafialová (DUV) litografia: Ťahúň priemyslu

Hlboká UV litografia (využívajúca lasery ~248 nm a 193 nm) bola ťahúňom technológie výroby čipov po mnoho generácií. DUV zariadenia sú v podstate mimoriadne presné projekčné zobrazovacie systémy: žiaria UV laserom cez štruktúrovanú fotomasku a sériu redukčných šošoviek, aby premietli zmenšený obraz na kremíkový wafer. Moderné 193 nm systémy dokonca vypĺňajú medzeru medzi šošovkou a waferom ultračistou vodou (imverzná litografia), čím efektívne zvyšujú numerickú apertúru šošovky a umožňujú rozlíšiť menšie štruktúry ^[13]. Pomocou týchto metód sa 193 nm imverzná litografia stala schopnou tlačiť štruktúry hlboko pod svoju nominálnu vlnovú dĺžku – ale len za použitia techník zvyšovania rozlíšenia a opakovaných expozícií. Napríklad pred príchodom EUV sa špičkové čipy na 7 nm uzle vyrábali DUV technológiou použitím štyroch samostatných maskovacích krokov pre jednu vrstvu (štvorité maskovanie) – čo je ohromne zložitý proces presného zarovnávania.

DUV litografia je veľmi vyspelá a spoľahlivá. DUV zariadenia od spoločností ako ASML, Nikon a Canon stále zvládajú väčšinu vrstiev pri výrobe čipov aj dnes (dokonca aj v najmodernejších fabrikách používajú EUV len na najkritickejšie vrstvy, zatiaľ čo menej kritické vrstvy sa naďalej exponujú viackrát pomocou DUV). Tieto stroje sú tiež výrazne lacnejšie než najnovšie EUV zariadenia – špičkový imerzní DUV skener môže stáť približne 50–100 miliónov dolárov, zatiaľ čo EUV zariadenie vyjde na viac ako 150 miliónov dolárov ^[14]. Výsledkom je, že DUV zariadenia zostávajú nepostrádateľné nielen pre čipy starších generácií (kde sú veľkosti prvkov väčšie a ľahšie sa tlačia), ale aj ako doplnok k EUV v pokročilých procesoch. V skutočnosti predaje DUV stále tvoria väčšinu jednotiek litografických zariadení dodaných každý rok ^[15]. Výrobcovia čipov majú obrovskú inštalovanú základňu DUV skenerov a rozsiahle know-how v ich používaní.

Napriek neustálemu zdokonaľovaniu však 193 nm DUV narazila na fundamentálny limit, pokiaľ ide o to, ako veľmi sa ešte dá zmenšovať bez neúnosného úsilia. Praktické rozlíšenie v optickej litografii približne zodpovedá Rayleighovmu kritériu: minimálna veľkosť prvku ≈ k₁ · (λ/NA), kde λ je vlnová dĺžka a NA je apertúra šošovky. Pri λ fixovanej na 193 nm a NA maximalizovanej okolo 1,35 (imerzia) výrobcovia čipov stlačili k₁ na jeho teoretické limity pomocou výpočtových trikov – ale aby sa veľkosť prvku ďalej zmenšovala, musela sa zmenšiť samotná λ. Približne v roku 2019 zaviedli popredné foundry ako TSMC a Samsung komerčne nový zdroj litografického svetla s vlnovou dĺžkou 13,5 nm – takmer 15× kratšou než DUV s 193 nm ^[16]. To odštartovalo éru extrémneho ultrafialového litografie.

Prechod na extrémnu ultrafialovú (EUV) litografiu

Extrémna ultrafialová litografia (EUV) používa dramaticky kratšie vlnové dĺžky svetla – 13,5 nm, na hranici medzi UV a röntgenovým žiarením – na expozíciu čipov. Prechodom na oveľa jemnejší „štetec“ môže EUV vytlačiť oveľa menšie tranzistory a prvky jednou expozíciou, čím sa vyhýba mnohým zložitým krokom viacnásobného vzorovania, ktoré sú potrebné pri DUV na pokročilých uzloch ^[17]. V praxi EUV litografia umožnila hromadnú výrobu čipov v generáciách technológií 7 nm, 5 nm a 3 nm s oveľa menším počtom procesných krokov a lepšou výťažnosťou ako čisto DUV prístup. Napríklad, taiwanská spoločnosť TSMC použila EUV na niekoľkých kritických vrstvách počnúc svojím procesom 7 nm+ (N7+) v roku 2019 – prvý komerčný proces využívajúci EUV ^[18] – a následne rozsiahlo pre svoje 5 nm uzly, ktoré poháňajú procesory ako Apple A15 a A16 Bionic pre smartfóny ^[19]. Podobne Samsung začal masovú výrobu s EUV začiatkom roku 2019 na svojom procese 7LPP a odvtedy nasadil EUV pre 5 nm a dokonca aj pri výrobe pamäťových čipov^[20], ^[21]. Tieto kroky boli prelomové: použitím 13,5 nm svetla mohli výrobcovia čipov tlačiť prvky s jedinou expozíciou vzoru, ktoré predtým vyžadovali viacnásobné DUV prechody, čím sa zjednodušila výroba a umožnilo hustejšie usporiadanie tranzistorov ako kedykoľvek predtým^[22].

Avšak, EUV litografia nebola jednoduchou revolúciou. Trvalo viac než dve desaťročia výskumu a ~9–10 miliárd dolárov investovaných do vývoja, aby sa EUV stala životaschopnou pre vysokoobjemovú výrobu ^[23]^[24]. Výzvy boli obrovské, pretože svetlo s vlnovou dĺžkou 13,5 nm sa správa veľmi odlišne od svetla s vlnovou dĺžkou 193 nm. Napríklad, žiadny materiál nie je priehľadný pri 13,5 nm – nemôžete použiť lomivé šošovky ani bežné sklenené masky. Namiesto toho EUV systémy používajú čisto zrkadlový optický systém: sériu precízne tvarovaných viacvrstvových zrkadiel so špeciálnymi povlakmi, ktoré odrážajú svetlo s vlnovou dĺžkou 13,5 nm (každé zrkadlo odrazí len časť svetla, takže pri viacerých zrkadlách intenzita dramaticky klesá) ^[25]. Fotomaska je tiež reflexný zrkadlový substrát namiesto priehľadnej sklenenej platne. Toto všetko musí fungovať vo vákuu (vzduch by pohltil EUV). Stručne povedané, EUV skenery sú úplne novým návrhom optického systému v porovnaní s DUV nástrojmi, zahŕňajúcim exotickú optiku a extrémnu presnosť.

Potom je tu zdroj svetla: ako vôbec generovať vysokointenzívne ultrafialové svetlo s vlnovou dĺžkou 13,5 nm? Odpoveď znie ako sci-fi: EUV zariadenia vytvárajú svetlo tak, že pulzný vysokovýkonný laser zasahuje drobné kvapky roztaveného cínu, 50 000-krát za sekundu ^[26], ^[27]. Každý laserový pulz premení kvapku cínu na extrémne horúcu plazmu, ktorá vyžaruje EUV žiarenie – v podstate ide o miniatúrnu hviezdnu explóziu prebiehajúcu vo vnútri stroja. Tieto plazmové záblesky produkujú požadované svetlo s vlnovou dĺžkou 13,5 nm spolu s množstvom iného nechceného žiarenia a zvyškov, takže systém musí filtrovať a zachytávať správnu vlnovú dĺžku a všetko ostatné tieniť. EUV svetlo je potom zaostrované zrkadlovou optikou a smerované na wafer v požadovaných vzoroch. Je to mimoriadne neefektívny proces z hľadiska generovania svetla (väčšina energie sa stratí ako teplo), preto musí byť laser napájajúci zdroj neuveriteľne výkonný. Zdroj svetla EUV skenera môže spotrebovať približne >1 megawatt energie, aby dodal dostatočný tok EUV fotónov pre hromadnú výrobu ^[28]. Pre porovnanie, excimerový laser s vlnovou dĺžkou 193 nm spotrebuje len zlomok tejto energie. To vysvetľuje, prečo majú EUV zariadenia obrovské nároky na energiu a chladenie a prečo alternatívne techniky ako nanoimprintová litografia (ktorá vôbec nepoužíva lasery) deklarujú úsporu energie okolo 90 % ^[29].

Tým sa zložitosť nekončí. Keďže EUV fotóny sú veľmi energetické, môžu vyvolávať jemné stochastické efekty vo fotoreziste (náhodné odchýlky, ktoré môžu spôsobiť defekty, ak nie sú eliminované), a EUV masky nemožno ľahko chrániť bežnými pelikulami (vývoj špeciálnych EUV pelík bol ďalším viacročným úsilím). Každá časť systému – od vákuových stupňov, cez šesťstupňové polohovače waferov pohybujúce sa rýchlosťou metrov za sekundu, až po kontrolu defektov tých viacvrstvových zrkadiel – posúvala hranice inžinierstva. „Je to veľmi náročná technológia – čo sa týka zložitosti, je pravdepodobne v kategórii projektu Manhattan,“ poznamenal riaditeľ litografie spoločnosti Intel, čím ilustroval, aké náročné bolo vyvinúť EUV ^[30].

Po mnoho rokov množstvo odborníkov pochybovalo, že EUV bude niekedy fungovať včas. Hlavní hráči Nikon a Canon sa vzdali výskumu EUV po tom, čo narazili na príliš veľa prekážok, a tak zostala ASML (Holandsko) ako jediná spoločnosť, ktorá posúvala túto technológiu vpred^[31]^[32]. Stávka ASML sa nakoniec vyplatila – ale nie bez pomoci. V roku 2012, keď si uvedomili strategický význam EUV, veľkí výrobcovia čipov Intel, TSMC a Samsung spoločne investovali približne 4 miliardy dolárov do ASML, aby urýchlili vývoj EUV ^[33]. Do roku 2017 ASML konečne predstavila EUV skener pripravený na výrobu (model NXE:3400B) a v roku 2019 sa začali vyrábať prvé komerčné čipy pomocou EUV ^[34]^[35]. Odborníci z odvetvia to označili za prelomový moment – dlho očakávaná revolúcia EUV prišla práve včas, aby predĺžila plán rozvoja polovodičov. Ako poznamenal MIT Technology Review, EUV nástroj od ASML je „žiaduci prístroj… používaný na výrobu mikroprocesorových prvkov malých ako 13 nanometrov… obsahuje 100 000 drobných mechanizmov… na prepravu jedného k zákazníkovi sú potrebné štyri lietadlá 747“ ^[36]. Stručne povedané, EUV skenery sú zázraky modernej techniky, ktoré využívajú ultrafialové svetlo v mierke a zložitosti, aká tu ešte nebola.

Prečo je UV litografia dôležitá pre mikroprocesory

Výsledok všetkej tejto zložitosti je priamočiary: menšie tranzistory a vyšší výkon čipu. Tlačením jemnejších prvkov môžu výrobcovia čipov natlačiť viac tranzistorov na rovnakú plochu (čo zvyčajne znamená viac výpočtového výkonu alebo nižšie náklady na čip) a znížiť elektrickú kapacitu a vzdialenosti, ktoré musia signály prekonávať (čo znamená rýchlejšie prepínacie rýchlosti a nižšiu spotrebu energie). Toto je podstata Mooreovho zákona – zmenšovanie rozmerov tranzistorov, aby sa do každej generácie čipov zmestilo viac – a litografia je základným umožňovateľom tohto pokroku ^[37], ^[38]. Keď počujete o novom smartfónovom čipe vyrobenom na „3 nm procese“ alebo serverovom CPU na „5 nm EUV technológii“, tieto čísla do veľkej miery odrážajú schopnosti pokročilej litografie definovať extrémne malé prvky (hoci názvy uzlov sú čiastočne marketingové, korelujú so zlepšeniami hustoty, ktoré EUV umožnila).

Dôležitosť ultrafialovej litografie je možno najlepšie ilustrovaná tým, čo by sa stalo bez týchto pokrokov. Ak by priemysel zostal len pri 193 nm DUV, výrobcovia čipov by možno stále našli spôsoby, ako vyrobiť veľmi výkonné čipy – ale potrebovali by toľko opakovaných výrobných krokov (a zložitosti, ktorá by znižovala výťažnosť), že by náklady prudko vzrástli a pokrok by sa dramaticky spomalil. Skutočne, okolo polovice 2010-tych rokov niektorí predpovedali blízky koniec Mooreovho zákona, pretože optická litografia narážala na svoje limity. EUV prišla práve včas, aby poskytla nové záchranné lano. Tým, že obnovila jednoduchšie jednorazové vzorovanie na špičkovej úrovni, EUV predĺžila plán škálovania aspoň o niekoľko ďalších generácií. Množstvo dnešných najpokročilejších čipov vďačí za svoju existenciu EUV. Napríklad najnovšie smartfónové procesory Apple série A a čipy Mac série M vyrába TSMC pomocou 5 nm EUV procesov, čo umožňuje počty tranzistorov v desiatkach miliárd a veľké skoky v rýchlosti a efektivite oproti predchádzajúcim generáciám ^[39]. AMD Ryzen CPU a GPU, z ktorých mnohé sú vyrábané na TSMC 7 nm alebo 5 nm EUV uzloch, rovnako profitujú z vyššej hustoty a úspory energie. Dokonca aj najmodernejšie AI akcelerátory a procesory pre dátové centrá – tie, ktoré poháňajú veľké AI modely – sa spoliehajú na EUV 5 nm/4 nm procesy, aby mohli husto zabaliť matice-matematické jednotky a zvládať tepelné zaťaženie.

Nie sú to len logické čipy. Pamäťové čipy tiež ťažia z pokrokov v UV litografii. Výrobcovia vysokovýkonných DRAM začali používať EUV pre určité kritické vrstvy vo svojich najnovších generáciách (napr. Samsungova DRAM triedy 14 nm používa EUV na viacerých vrstvách) na zvýšenie hustoty bitov a zlepšenie výťažnosti ^[40]. Micron zavádza EUV aj vo svojom ďalšom DRAM node. Viac EUV vrstiev v pamäti znamená viac gigabitov úložiska na čip a nižšiu cenu za bit, čo v konečnom dôsledku znamená viac pamäte vo vašich zariadeniach za rovnakú cenu. V skutočnosti generálny riaditeľ ASML Peter Wennink poukázal na to, že rastúci dopyt po AI a dátach tlačí výrobcov pamätí k rýchlemu prijatiu EUV – „Výrobcovia DRAM používajú viac EUV vrstiev na súčasných aj budúcich nodoch“, poznamenal, čo zvyšuje dopyt po týchto nástrojoch v celom odvetví ^[41]. Stručne povedané, UV litografia priamo ovplyvňuje schopnosti mikroprocesorov. Schopnosť vyrábať menšie tranzistory vám nielen umožňuje umiestniť viac jadier alebo väčšiu vyrovnávaciu pamäť na čip, ale môže tiež znížiť energiu potrebnú na prepínanie každého tranzistora. Preto každá nová generácia procesov často prináša 15–30% nárast výkonu a 20–50% zníženie spotreby energie pri rovnakom návrhu, alebo alternatívne umožňuje zdvojnásobenie alebo viacnásobné zvýšenie hustoty tranzistorov. Napríklad prechod TSMC z procesu 7 nm (väčšinou DUV) na 5 nm (EUV) priniesol približne 1,8× zvýšenie hustoty logiky a ~15% nárast rýchlosti pri rovnakej spotrebe ^[42]. Tieto vylepšenia sa premietajú do rýchlejších smartfónov, efektívnejších dátových centier a prelomov v úlohách vysokovýkonného výpočtového výkonu. Ultrafialová litografia je neviditeľná ruka, ktorá tieto vylepšenia vyrezáva do kremíka. Ako to zhrnul jeden riaditeľ výskumu v odvetví: „Bez EUV naozaj nemôžete vyrábať žiadne špičkové procesory“^[43] – je to také kľúčové pre udržanie sa na krivke pokroku.

Súčasný stav techniky a hlavní hráči

K roku 2025 ultrafialová litografia leží v srdci každej pokročilej továrne na čipy a dominuje jej niekoľko kľúčových hráčov a technológií. Tu je pohľad na súčasnú situáciu a hlavné sily, ktoré ju poháňajú:

ASML (Holandsko) – Kľúčový hráč v litografii. ASML je jediným poskytovateľom EUV litografických systémov na svete ^[44]. Koncom 2010-tych rokov sa stala prvou (a jedinou) spoločnosťou, ktorá komercializovala EUV skenery, po tom, čo konkurenti odstúpili ^[45]. Jej EUV zariadenia (každé stojí približne 150–180 miliónov dolárov ^[46], ^[47]) využíva každý popredný výrobca čipov. ASML vyrába aj DUV skenery (kde súperí s Nikon/Canon o podiel na trhu). Vďaka EUV sa ASML stala jednou z najhodnotnejších firiem na výrobu polovodičového vybavenia na svete – v podstate drží monopol na najpokročilejšiu litografickú technológiu. Jediná špičková továreň môže potrebovať flotilu 10–20 EUV strojov ASML, čo predstavuje investíciu v hodnote niekoľkých miliárd dolárov. K roku 2021 bolo v prevádzke už viac ako 100 EUV zariadení ^[48] a toto číslo naďalej rastie, keď TSMC, Samsung a Intel rozširujú využitie EUV. (Pozoruhodné je, že exportné obmedzenia v súčasnosti bránia ASML predávať EUV stroje do Číny, kvôli ich strategickému významu ^[49].)
TSMC (Taiwan) – Priekopník vo Foundry s EUV. TSMC je najväčší zmluvný výrobca čipov na svete a bol prvým, kto nasadil EUV vo veľkoobjemovej výrobe (jeho 7nm+ „N7+“ uzol v roku 2019 bol prvým EUV procesom v odvetví) ^[50]. TSMC odvtedy rozsiahlo využíva EUV pre svoju 5 nm generáciu (2019–2020) a 4 nm/3 nm uzly, pričom vyrába čipy pre Apple, AMD, Nvidia a mnohých ďalších s prvotriednou výťažnosťou. Použitím EUV na viacerých kritických vrstvách dosiahlo TSMC zvýšenie hustoty, ktoré tieto uzly definujú. Vedúca pozícia TSMC v rýchlom zvládnutí EUV je veľkým dôvodom, prečo v posledných rokoch predbehlo Intel v procesnej technológii. Do budúcnosti TSMC plánuje pokračovať v používaní súčasného EUV (0,33 NA) až po svoje 3 nm a dokonca 2 nm uzly a zvažuje ďalšiu generáciu EUV pre ešte menšie uzly ^[51]. (Zaujímavosťou je, že TSMC naznačilo, že možno nebude uponáhľať nasadenie prvých High-NA EUV nástrojov pre svoje procesy éry 2 nm okolo rokov 2027–2028, pričom uprednostní čakanie, kým to bude ekonomicky výhodné ^[52].)
Samsung (Južná Kórea) – Adoptér v pamätiach a logike. Samsung rýchlo prijal EUV pre logiku, pričom oznámil 7 nm EUV výrobu už v roku 2019 (jeho mobilné procesory Exynos a niektoré čipy Qualcomm Snapdragon ich využívali). Samsung tiež viedol použitie EUV v pamätiach, keď sa stal prvým, kto použil EUV pri výrobe DRAM (pre svoj 1z-nm DRAM uzol) a pri vrstvení V-NAND ^[53]. Samsungova výrobná linka s EUV v Hwaseongu je ukážková a spoločnosť naďalej investuje do EUV pre svoj foundry aj pamäťový biznis. Rovnako ako TSMC, aj Samsung je zákazníkom pripravovaného High-NA EUV od ASML, hoci správy naznačujú, že Samsung ešte nerozhodol, kedy tieto nástroje zavedie do výroby ^[54]. Medzitým všetky súčasné vlajkové procesy Samsungu (5 nm, 4 nm, 3 nm tranzistory Gate-All-Around) využívajú EUV na zníženie počtu maskovacích krokov. Samsung stále vyrába mnoho čipov aj pomocou DUV a starších nástrojov, no v oblasti špičkových technológií je plne zameraný na EUV.
Intel (USA) – Preteky o návrat na čelo. Intel, ktorý bol dlhodobo lídrom v litografii, narazil na oneskorenia pri svojom 10 nm uzle (ktorý využíval pokročilé DUV viacnásobné vzorovanie) a preto zaostal v adopcii EUV. Odvtedy však výrazne investoval, aby tento sklz dohnal. Najnovšie generácie procesov Intelu (značené ako „Intel 4“, „Intel 3“, približne ekvivalentné triede ~7 nm a ~5 nm) používajú EUV litografiu pre viacero vrstiev – napríklad Intel 4 využíva EUV pri výrobe pripravovaných procesorov Meteor Lake ^[55]. Intel bol tiež skorým investorom v ASML a zabezpečil si prednostný prístup k High-NA EUV strojom od ASML: v roku 2023 získal prvý High-NA EUV nástroj na svete (EXE:5000 séria) na výskum a vývoj a v rokoch 2024–2025 má dostať prvý produkčný High-NA nástroj (EXE:5200) ^[56], ^[57]. Intel plánuje tieto High-NA EUV skenery použiť pre svoje uzly 1,8 nm a 14Å-generácie (~2027) ako súčasť ambiciózneho plánu získať späť technologické líderstvo ^[58], ^[59]. S novým vedením CEO Intel otvorene propaguje prijatie EUV a dokonca aj služby ako zlievareň, pričom plánuje v blízkej budúcnosti vyrábať čipy s EUV pre iné spoločnosti.
Nikon a Canon (Japonsko) – Veteráni DUV, hľadajúci alternatívy. Nikon a Canon boli kedysi dominantnými dodávateľmi litografického vybavenia (v 90. rokoch bol najmä Nikon lídrom v oblasti najmodernejších stepperov). Stále vyrábajú DUV litografické nástroje – v skutočnosti Nikon dlhé roky dodával stroje spoločnosti Intel a výrobcom pamätí. Ani jedna spoločnosť však nedodala riešenie pre EUV: obe sa stiahli z vývoja EUV po výskume na začiatku 2000-tych rokov, čím prenechali tento trh spoločnosti ASML ^[60]. Dnes Nikon stále predáva 193 nm imerzné skenery pre vysokoobjemovú výrobu (najmä používané v továrňach so staršími technológiami alebo ako doplnkové nástroje), zatiaľ čo Canon sa zameral na špecializované segmenty ako nanoimprintová litografia (NIL). Nové NIL stroje od Canonu sa pokúšajú „razítkovať“ čipové vzory mechanicky a tvrdia, že majú rádovo nižšie náklady a o 90 % nižšiu spotrebu energie ako EUV nástroje^[61]^[62]. Canon začal v roku 2024 dodávať svoje prvé NIL nástroje na testovanie ^[63]. Niektorí vnímajú NIL ako potenciálne prelomovú technológiu pre určité aplikácie (mohla by sa používať spolu s konvenčnou litografiou pre jednoduchšie vrstvy alebo pamäťové zariadenia), no zatiaľ nie je overená pre vysokoobjemovú výrobu najhustejšej logiky ^[64]. Zatiaľ zostávajú Nikon a Canon významnými hráčmi v oblasti DUV (a pre staršie výrobné uzly), ale ASML má efektívny monopol na pokročilú litografiu potrebnú pre najmodernejšie mikroprocesory.
Čínske ambície – Doháňanie náskoku napriek obmedzeniam. Čína, ktorá je domovom veľkých čipových fabrík ako SMIC, momentálne nemá prístup k EUV technológii – ASML nikdy nemohla predávať EUV skenery do Číny kvôli exportným obmedzeniam vedeným USA cnfocus.com. Dokonca aj predaj najnovších DUV imerzívnych zariadení ASML do Číny teraz podlieha licencii holandskej vlády od roku 2023 ^[65]. To podnietilo čínske úsilie o vývoj domácej litografie. Vedúca čínska spoločnosť na litografické zariadenia, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), údajne vyrobila stroje schopné DUV litografie triedy 90 nm a 28 nm, ale zatiaľ nič porovnateľné s EUV (EUV zahŕňa rozsiahly ekosystém patentov a náročné fyzikálne problémy). Výsledkom je, že čínske fabriky ako SMIC dokázali vyrobiť čip podobný 7 nm pomocou staršej DUV viacnásobnej expozície, no stále zaostávajú o niekoľko generácií za špičkou, ktorá vyžaduje EUV. Globálne trhové trendy sú preto úzko prepojené s geopolitikou: litografické nástroje sa stali strategickým aktívom. V roku 2024 predaj ASML do Číny (väčšinou DUV zariadenia) dosiahol približne 7 miliárd dolárov ^[66], no budúci rast je neistý kvôli sprísňujúcim sa exportným kontrolám. Medzitým dopyt inde prudko rastie, takže ASML predpokladá, že jej EUV biznis v roku 2025 vzrastie o ~30 % napriek možným prekážkam v Číne ^[67], ^[68].

Výzvy a nedávne pokroky

Hoci ultrafialová litografia umožnila pozoruhodný pokrok, čelí aj významným výzvam, ktoré poháňajú neustálu inováciu. Tu sú niektoré kľúčové problémy a nedávne pokroky, ktoré ich riešia:

Náklady a zložitosť nástrojov: Cenovka EUV skenerov (~150 miliónov dolárov alebo viac za kus) a ich obrovská zložitosť zvyšujú vstupnú bariéru pre výrobcov čipov ^[69]. Len niekoľko spoločností si môže dovoliť veľké flotily týchto nástrojov. Aby sa náklady ospravedlnili, fabriky potrebujú vysoké využitie a vysokú výťažnosť. Pokrok: Nástroje ďalšej generácie High-NA EUV sú ešte drahšie (viac ako 300 miliónov dolárov za kus) ^[70], ale sľubujú vyššiu priepustnosť a rozlíšenie, čo potenciálne znižuje cenu na tranzistor. Okrem toho snahy v oblasti strojového učenia a výpočtovej litografie pomáhajú maximalizovať výkon každého nástroja (zlepšením vernosti vzoru a procesných okien).
Priepustnosť (rýchlosť skenera): Prvé EUV nástroje spracovali menej waferov za hodinu ako ich DUV náprotivky, čiastočne kvôli obmedzenému výkonu zdroja a citlivejšej optike. Nízka priepustnosť znamená nižšiu produktivitu fabriky. Pokrok: Výkon EUV zdrojov sa neustále zlepšuje (dnešné zdroje presahujú 250 W, oproti ~125 W v počiatočných výrobných nástrojoch) a najnovšie EUV skenery od ASML dokážu exponovať ~160 waferov/hod v optimálnych podmienkach. Pripravované High-NA EUV systémy budú mať prepracovanú optiku s vyššou numerickou apertúrou 0,55 vs 0,33, čo zlepšuje rozlíšenie, ale spočiatku znižuje veľkosť poľa. Na kompenzáciu ASML navrhuje tieto nástroje tak, aby nakoniec dosiahli priepustnosť ~185 waferov/hod. V skutočnosti ASML práve v roku 2025 dodalo svoj prvý model High-NA EUV (EXE:5200) a tvrdí, že prinesie 60% nárast produktivity oproti súčasným EUV nástrojom – približne 175 waferov/hod, čo je porovnateľné s DUV skenermi ^[71].
Defekty a výťažnosť: Keďže EUV používa reflexné masky a pracuje v nanometrových rozmeroch, kontrola defektov je obrovskou výzvou. Drobné defekty alebo častice na maske sa môžu preniesť na wafer a EUV fotorezisty a proces môžu vykazovať náhodné defekty (stochastické javy), ak nie sú optimalizované. Pokrok: Priemysel vyvinul ochranné pelikulové masky pre EUV (aby sa zabránilo časticiam na maske) po mnohých iteráciách. Chémia fotorezistov sa tiež vyvíja – nové materiály rezistov a techniky podvrstiev zlepšili citlivosť a drsnosť okraja čiar. Výrobcovia čipov uvádzajú, že počiatočné problémy s výťažnosťou pri EUV boli do veľkej miery prekonané a miera defektov je porovnateľná s predchádzajúcimi uzlami ^[72]. Výskumníci však naďalej zdokonaľujú technológie rezistov a masiek (vrátane skúmania kovových oxidových rezistov a ďalších nových prístupov pre EUV).
Spotreba energie: Ako už bolo spomenuté, EUV skenery sú energeticky náročné – každý z nich môže spotrebovať približne megawatt elektriny medzi laserovým zdrojom, vákuovými čerpadlami a chladiacimi systémami ^[73]. To prispieva k značným prevádzkovým nákladom a zvyšuje environmentálnu stopu fabrík. Pokrok: Alternatívne metódy litografie ako Nanoimprint sa snažia výrazne znížiť spotrebu energie (Canon tvrdí o 90 % nižšiu spotrebu) ^[74]. Pri samotnom EUV sa inžinieri snažia o efektívnejšie zdroje (napr. vyššia konverzná účinnosť premeny laserovej energie na EUV svetlo), aby budúce zariadenia produkovali viac svetla s menším vstupným výkonom. Aj malé zlepšenia účinnosti zdroja alebo odrazivosti zrkadiel môžu priniesť významné úspory energie pri tisícoch waferov.
Limity optického rozlíšenia: Aj EUV pri 13,5 nm nakoniec narazí na limity škálovania. Súčasné EUV zariadenia (0,33 NA) zvládnu pohodlne vzory s rozstupom ~30 nm; nad tento limit bude potrebné viacnásobné vzorovanie alebo High-NA EUV pre ~2 nm uzol a menej. Pokrok: High-NA EUV je v podstate ďalší veľký krok – zvýšením numerickej apertúry šošovky na 0,55 s novým optickým dizajnom (čo si okrem iného vyžaduje novú 6-inch mask size a úplne novú platformu zariadení), tieto systémy budú schopné rozlíšiť prvky o ~30–40 % menšie ^[75]. ASML tvrdí, že High-NA EUV by mohol takmer triple transistor density na čipoch umožnením jemnejších prvkov a hustejších rozstupov ^[76]. Prvé High-NA EUV zariadenia sú plánované na pilotné použitie spoločnosťou Intel okolo rokov 2025–2026, s cieľom na masové nasadenie okolo ~2028 ^[77]. Toto rozšírenie by malo umožniť priemyslu prejsť cez 2 nm, 1,5 nm a 1 nm uzly (napriek názvom pôjde o rozstupy prvkov v nízkych desiatkach nanometrov). Za týmto bodom môžu byť potrebné iné prístupy (ako napríklad “Beyond EUV” koncepty pri ešte kratších vlnových dĺžkach, alebo revolučné metódy vzorovania).
Alternatívne litografické techniky: Koncentrácia kľúčových litografických schopností v jednej spoločnosti (ASML) a jednej technológii (EUV) vyvolala záujem o alternatívne alebo pomocné techniky. Pokrok: Okrem Canon-ovho NIL prebieha výskum Directed Self-Assembly (DSA) – použitie špeciálnych materiálov, ktoré sa spontánne usporiadajú do veľmi jemných vzorov a môžu dopĺňať litografiu pre určité štruktúry. Ďalším prístupom je multiphotónová alebo kvantová litografia, ktorá je zatiaľ prevažne akademická. E-beam litografia (priame zapisovanie elektrónovým lúčom) sa používa na výrobu masiek a prototypovanie, ale je príliš pomalá na masovú výrobu. Napriek tomu firmy skúmajú viaclúčové e-beam nástroje pre špecifické vzory. Ak by sa tieto alternatívy vyvinuli, mohli by jedného dňa znížiť záťaž optickej litografie alebo znížiť náklady na niektoré vrstvy. Zatiaľ sú to „dobré mať“ výskumy, zatiaľ čo optická UV litografia zostáva nenahraditeľnou oporou.

Odborné postrehy a budúci výhľad

Zhodou odborníkov z odvetvia je, že ultrafialová litografia zostane kľúčovým prvkom výroby čipov v dohľadnej budúcnosti, hoci s neustálym vývojom. „Stále vylepšujeme a vyvíjame… je to pre nás aj našich zákazníkov strmá krivka učenia,“ povedal hovorca ASML v súvislosti s nasadzovaním High-NA EUV, pričom zdôraznil, že každý nový skok (ako High-NA) si vyžaduje rozsiahle dolaďovanie ^[78]. Analytici tiež upozorňujú, že prijatie bude riadiť nákladová efektívnosť: „Kým niektorí výrobcovia čipov môžu zaviesť [High-NA EUV] skôr, aby získali technologické vedenie, väčšina ho neprijme, kým to nebude ekonomicky dávať zmysel,“ poznamenal Jeff Koch zo SemiAnalysis, pričom predpovedá, že väčšina počká do ~2030, keď jeho výhoda ospravedlní náklady^[79]. Ako reakciu na to CEO ASML Peter Wennink trvá na tom, že High-NA preukáže svoju hodnotu skôr: „Všetko, čo vidíme u zákazníkov, je, že High-NA je pre nich lacnejší“ pri dosahovaní ďalšej úrovne škálovania ^[80]. Tento optimistický pohľad naznačuje, že s rastúcou zložitosťou pokročilejšia litografia môže v skutočnosti znížiť celkové náklady odstránením dodatočných procesných krokov.

Nedá sa preceňovať ústrednú úlohu spoločnosti ASML – čo si dobre uvedomujú aj vlády. V svete, kde najmodernejšie čipy prinášajú ekonomické a vojenské výhody, sa litografické zariadenia stali strategickým aktívom. Holandská vláda (s podporou USA) prísne obmedzila export pokročilých nástrojov ASML do Číny ^[81], čo je krok zameraný na „zmarenie polovodičových ambícií Pekingu“^[82]. To viedlo k rozdeleniu globálneho dodávateľského reťazca čipov: najpokročilejšie logické čipy sa v súčasnosti vyrábajú len na niekoľkých miestach (Taiwan, Južná Kórea a čoskoro aj USA prostredníctvom fabrík TSMC/Intel), pričom všetky používajú EUV stroje od ASML. Čína intenzívne investuje, aby dobehla staršie technológie a vyvinula vlastnú litografiu, no odborníci odhadujú, že môže trvať mnoho rokov, kým sa priblíži k parite – ak vôbec – vzhľadom na vysoké bariéry v oblasti know-how a duševného vlastníctva.

Medzitým dopyt po UV litografických nástrojoch prudko rastie v súlade s boomom v polovodičovom priemysle. Rast AI a vysokovýkonných výpočtov núti popredné fabriky rozširovať kapacity. Objednávky ASML na EUV nástroje dosiahli rekordné výšky – v jednom nedávnom štvrťroku objednávky narástli na 10 miliárd dolárov, prevažne na budúce EUV a High-NA systémy ^[83]. Spoločnosť predpovedá, že príjmy súvisiace s EUV v roku 2025 vzrastú o ~40–50 % ^[84], čo pomôže zvýšiť jej celkové tržby aj napriek pomalšiemu dopytu zo strany pamätí alebo Číny ^[85]. Inými slovami, trh so špičkovou litografiou je robustný a rastie, pričom ASML očakáva, že každý rok dodá desiatky ďalších EUV jednotiek. Do roku 2030 sa pravdepodobne rozšíri High-NA EUV a diskusia sa presunie k tomu, čo príde po ére EUV.

Čo môže prísť ďalej? Niektorí výskumníci hovoria o „Beyond EUV“ – možno využitie ešte kratších vlnových dĺžok v oblasti mäkkého röntgenu (~6–8 nm) alebo projekčnej litografie s elektrónmi/iónmi – no každá z týchto ciest čelí obrovským fyzikálnym výzvam. Zatiaľ je stratégiou priemyslu vyťažiť z EUV maximum: najprv zavedením High-NA EUV pre ďalšiu 1–2 generácie zmenšovania a kombinovaním EUV s inteligentnou integráciou procesov (ako sú čipletové architektúry a 3D stohovanie, ktoré zmierňujú potrebu monolitického 2D zmenšovania). Litografia zostane kombináciou viacerých techník: DUV nezmizne (bude sa používať spolu s EUV) a nové metódy ako nanoimprint si môžu nájsť svoje miesto na doplnenie hlavných procesov, ak sa osvedčia. Akákoľvek radikálna zmena od optickej litografie by však pravdepodobne vyžadovala aj zmenu paradigmy v návrhu čipov – čo zatiaľ nie je na obzore pre veľkoobjemovú výrobu.

Slovami predsedu TSMC Marka Liua, polovodičový priemysel „pracuje v tuneli“ s jasným cieľom už desaťročia: zmenšovať, zmenšovať, zmenšovať ^[86]. Ultrafialová litografia bola svetlom, ktoré tento tunel osvetľovalo. Začalo sa to ortuťovými lampami a primitívnym UV, pokračovalo excimerovými deep-UV lasermi, ktoré nás sprevádzali viac ako 20 rokov ^[87], a teraz sme dospeli do éry extrémneho UV, ktorá tunel ešte predlžuje. Táto cesta bola všetko, len nie jednoduchá – sprevádzaná triumfami aj častými pochybnosťami – no výsledok je ohromujúci: miliardy štruktúr širokých len desiatky atómov, dokonale vzorovaných na veľkých waferoch, umožňujúc výpočtové výkony, ktoré sa ešte pred generáciou zdali nemožné.

Keď sa pozeráme dopredu, vývoj mikroprocesorov je s litografiou prepojený viac než kedykoľvek predtým. Výkon a schopnosti ďalších CPU, GPU a AI akcelerátorov budú vo veľkej miere závisieť od toho, ako jemne a spoľahlivo dokážeme ich prvky vytlačiť. Ultrafialová litografia je hlavný nástroj, ktorý to umožňuje. Odborníci z odvetvia sú optimistickí, že s pokračujúcimi inováciami – od High-NA optiky po inteligentnejší softvér a možno aj niektoré nekonvenčné nápady ako NIL alebo DSA – litografia bude naďalej prinášať výsledky. Generálny riaditeľ ASML dokonca tvrdí, že plán pre EUV a jeho rozšírenia je pevný na ďalšiu dekádu, čo dáva výrobcom čipov jasný priestor na ďalšie zlepšovanie. Globálne trhové trendy naznačujú zdravý rast a intenzívnu konkurenciu, ale aj zjednocovanie okolo niekoľkých kľúčových technológií a dodávateľov.

Zhrnuté, svet ultrafialovej litografie je spojením špičkovej fyziky a inžinierstva s vysoko rizikovou ekonomikou a stratégiou. Možno funguje v neviditeľnej oblasti UV svetla, no jeho vplyv je jasne viditeľný v podobe výkonnejších mikroprocesorov rok čo rok. Keď najbližšie budete počuť o novom prelomovom „nanometrovom“ čipe, spomeňte si na ultrafialovú revolúciu, ktorá pracuje v zákulisí. Od deep UV cez extrémne UV až po ďalšie, tieto technológie skutočne formujú budúcnosť mikročiopov – vyrývajú ďalšie riadky do príbehu ľudského technologického pokroku, jeden záblesk fotónu za druhým.

Zdroje

C. Thompson, „Vo vnútri stroja, ktorý zachránil Moorov zákon,“ MIT Technology Review, 27. októbra 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, „Fotolitografia – Súčasné najmodernejšie nástroje používajú 193 nm hlboké UV excimerové lasery“ ^[90]
M. Chaban, „Osvetľovanie cesty: Ako ASML oživil Moorov zákon,“ Google Cloud Blog, 28. marca 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), „Skúmanie budúcnosti EUV litografie a ďalej,“ 4. novembra 2024 ^[93]
T. Sterling, „Intel objednáva systém ASML za viac ako 340 mil. dolárov v snahe o výhodu vo výrobe čipov,“ Reuters, 19. januára 2022 ^[94]
T. Sterling, „Ďalšia výzva pre ASML: zavedenie nového 350-miliónového dolárového stroja ‘High NA EUV’,“ Reuters, 9. februára 2024 ^[95]
TrendForce News, „ASML potvrdzuje prvú dodávku High-NA EUV EXE:5200…“, 17. júla 2025 ^[96]
T. Sterling, „Holandská vláda vylučuje väčšinu predajov ASML do Číny z exportných údajov,“ Reuters, 17. januára 2025 ^[97]
A. Shilov, „Nová technika výroby čipov ‘razítkovaním’ využíva o 90 % menej energie ako EUV,“ Tom’s Hardware, 31. januára 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, „Samsung Electronics začína hromadnú výrobu na novej EUV linke,“ február 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), „7nm FinFET Plus (N7+) technológia – Prvá s použitím EUV (2019)“ ^[100]
S&P Global Market Intelligence, „ASML pripravené na oživenie poháňané AI, keď dopyt po EUV a High-NA prudko rastie,“ september 2023 ^[101]

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

Watch this video on YouTube.

References