Ultravijolična revolucija: Znotraj nevidnih 150-milijonskih strojev, ki oblikujejo prihodnost mikročipov

Stroji za ultravijolično litografijo stanejo več kot 150 milijonov dolarjev vsak in so veliki kot avtobus.
Opazovalci industrije najnovejšo generacijo teh naprav imenujejo “stroji, ki so rešili Moorov zakon”, saj omogočajo sodobne vrhunske procesorje.
ASML je edini dobavitelj EUV litografskih sistemov, pri čemer EUV naprave stanejo okoli 150–180 milijonov dolarjev vsaka.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) je prvič uporabil EUV v večjih količinah pri svojem 7nm+ (N7+) procesu leta 2019.
Ekstremna ultravijolična litografija uporablja 13,5 nm svetlobo, ki nastane z usmerjanjem visokozmogljivega laserja v kapljice kositra, da ustvarijo plazmo, ki oddaja EUV sevanje, pri čemer poraba energije naprave presega 1 megavat.
ASML je leta 2025 dostavil prvi High-NA EUV stroj, EXE:5200, ki poveča numerično aperturo na 0,55 in cilja na približno 175 rezin na uro.
Prvi komercialni EUV čipi so bili predstavljeni leta 2019, s TSMC-jevim 7nm+ (N7+) procesom in Samsungovim 7LPP, ki uporabljata EUV.
Izvozni nadzori preprečujejo ASML prodajo EUV na Kitajsko, medtem ko je ASML leta 2024 na Kitajsko prodal za približno 7 milijard dolarjev, večinoma DUV strojev.
Nikon in Canon sta se umaknila iz razvoja EUV; Nikon še naprej dobavlja 193 nm imerzijske skenerje, Canon pa se osredotoča na nanoimprint litografijo NIL s poskusnimi dobavami v letu 2024.
Samsungov 14 nm DRAM uporablja EUV na več plasteh, Micron pa načrtuje EUV za svoj naslednji DRAM vozlišče.

Vsak sodoben mikroprocesor – od čipa v vašem pametnem telefonu do procesorjev, ki poganjajo oblačno umetno inteligenco – se rodi pod ultravijolično svetlobo. Pravzaprav nekateri najnaprednejši proizvodni stroji na svetu usmerjajo nevidne ultravijolične laserje na silicijeve rezine, da izrišejo nanoskalne vezja, ki omogočajo delovanje mikročipov. Ti stroji stanejo več kot 150 milijonov dolarjev vsak, so veliki kot avtobus in delujejo z skoraj znanstvenofantastično kompleksnostjo – a so kljub temu neopevani delovni konji v ozadju Moorovega zakona in neprestanega napredka hitrejših, manjših, učinkovitejših procesorjev ^[1], ^[2]. Opazovalci industrije so najnovejšo generacijo teh naprav celo poimenovali “stroji, ki so rešili Moorov zakon,” saj bi bilo brez njih izdelovanje najnaprednejših čipov praktično nemogoče ^[3]. To poročilo se poglobi v svet ultravijolične litografije – tako v njeni tradicionalni globoko ultravijolični (DUV) kot tudi najsodobnejši ekstremno ultravijolični (EUV) obliki – in pojasnjuje, kako deluje, zakaj je tako ključna za razvoj mikroprocesorjev in kam vodi v prihodnosti.

Ultravijolična litografija se morda sliši kot ezoterično inženirstvo, vendar je njen vpliv zelo resničen in viden v našem vsakdanjem življenju. Z natisom vedno bolj finih vzorcev tranzistorjev na siliciju UV litografija neposredno omogoča izjemno hiter napredek tehnološke industrije. Kot je eden izmed tehnoloških analitikov neposredno povedal, “Moorejev zakon se v bistvu podira, in brez tega stroja ga ni več. Brez EUV-ja v resnici ne moreš izdelati nobenih vodilnih procesorjev.”^[4] Z drugimi besedami, prihodnost mikročipov – in vseh naprav ter inovacij, ki jih poganjajo – je zdaj odvisna od izkoriščanja svetlobe pri izjemno majhnih valovnih dolžinah. Spodaj bomo razložili, kako to tiskanje s svetlobo deluje, kako se je razvilo v najnovejšo EUV tehnologijo, kdo so glavni akterji (od nizozemskega proizvajalca orodij ASML do čipovskih velikanov, kot so TSMC, Samsung in Intel), nedavne preboje (kot so naslednja generacija EUV strojev in alternativne tehnike) ter kaj o prihodnosti pravijo strokovnjaki iz industrije.

Kaj je ultravijolična litografija?

V svojem bistvu je litografija pri izdelavi čipov podobna fotografiji na siliciju. Silicijeva rezina je premazana s svetlobno občutljivim materialom (fotoresist), stroj pa s fokusirano svetlobo projicira zapletene vzorce vezij na to rezino skozi masko, podobno šabloni. Vzorci ustrezajo majhnim tranzistorjem in ožičenju, ki sestavljajo mikroprocesor. Kjerkoli svetloba zadene, kemično spremeni rezist, tako da je mogoče te predele jedkati ali obdelati, medtem ko so pokrita območja zaščitena. S ponavljanjem tega postopka plast za plastjo z izjemno natančnostjo proizvajalci čipov zgradijo kompleksno arhitekturo sodobnega integriranega vezja.

Ključ do ločljivosti v tem »tiskarskem« procesu je valovna dolžina svetlobe. Tako kot umetniku tanjši čopič omogoča slikanje manjših podrobnosti, krajša valovna dolžina svetlobe omogoča proizvajalcem čipov, da vgravirajo drobnejše značilnosti. Desetletja je polprevodniška industrija vztrajno stremela k krajšim valovnim dolžinam na elektromagnetnem spektru, da bi lahko tiskali vedno manjše tranzistorje ^[5]. Zgodnji čipi iz 60. let so uporabljali vidno in dolgo-UV svetlobo (g-linija pri 436 nm, i-linija pri 365 nm), a v 90. letih se je vrhunska tehnologija premaknila v območje globokega ultravijoličnega z zmogljivimi eksimernimi laserji pri 248 nm (KrF) in kasneje 193 nm (ArF)^[6]. Svetloba pri 193 nm – približno 1/5 valovne dolžine vidne svetlobe – je postala temelj za proizvodnjo čipov skozi 2000. in 2010. leta. Ta globoko UV (DUV) litografija je omogočila minimalne značilnosti v velikosti ~50 nm in manj, še posebej po uvedbi trikov, kot so potopne leče in večkratne osvetlitve ^[7]. Pravzaprav je bila »eksimerna laserska litografija« pri 248 nm in 193 nm tako uspešna, da je poganjala Moorov zakon približno dve desetletji, kar je omogočilo stalno zmanjševanje velikosti tranzistorjev in podvajanje gostote čipov po načrtu ^[8].

Vendar pa so inženirji proti koncu 1990-ih in v začetku 2000-ih vedeli, da se približujejo valovni meji s 193 nm svetlobo ^[9]. Za oblikovanje značilnosti, manjših od približno 40–50 nm, je morala litografija s 193 nm uporabiti vse bolj zapletene metode: eksotične optične trike, večkratne vzorce (izpostavljanje iste plasti večkrat s premaknjenimi maskami za dosego bolj finega efektivnega razmika) in druge domiselne rešitve ^[10], ^[11]. Te tehnike so podaljšale življenjsko dobo DUV orodij (pravzaprav so proizvajalci čipov raztegnili 193 nm vse do vozlišč, oglaševanih kot 10 nm ali celo 7 nm, z uporabo dvojnega, trojnega ali četvernega vzorčenja), vendar na račun ogromne kompleksnosti, nižjega izkoristka in strmo naraščajočih proizvodnih stroškov. Do sredine 2010-ih je bilo jasno, da se tradicionalni DUV težko prebija naprej – industrija je potrebovala preskok na krajšo valovno dolžino svetlobe, da bi ohranila Moorov zakon ^[12].

Globoka ultravijolična (DUV) litografija: Delovni konj

Globoka UV litografija (z uporabo ~248 nm in 193 nm laserjev) je bila osnovna tehnologija za izdelavo čipov že več generacij. DUV orodja so v bistvu izjemno natančni projekcijski slikovni sistemi: UV laser posveti skozi vzorčeno fotomasko in niz redukcijskih leč, da ustvari pomanjšano sliko na silicijevi rezini. Sodobni 193 nm sistemi celo zapolnijo vrzel med lečo in rezino z ultra čisto vodo (potopna litografija), da učinkovito povečajo numerično aperturo leče in razločijo manjše značilnosti ^[13]. S temi metodami je 193 nm potopna litografija postala sposobna tiskanja značilnosti precej pod svojo nominalno valovno dolžino – vendar le z uporabo tehnik za izboljšanje ločljivosti in ponavljajočih se osvetlitev. Na primer, preden je prišel EUV, so bili vodilni čipi na 7 nm vozlišču izdelani z DUV z uporabo štirih ločenih maskirnih korakov za eno plast (četverno vzorčenje) – izjemno zapleten postopek natančnega poravnavanja.

DUV litografija je zelo zrela in zanesljiva. DUV naprave podjetij, kot so ASML, Nikon in Canon, še vedno obdelujejo večino plasti pri izdelavi čipov danes (tudi v najsodobnejših tovarnah uporabljajo EUV le za najbolj kritične plasti, medtem ko se za manj kritične plasti še naprej uporablja več DUV osvetlitev). Te naprave so tudi bistveno cenejše od najnovejših EUV naprav – vrhunski imerzijski DUV skener stane približno 50–100 milijonov dolarjev, medtem ko EUV naprava stane več kot 150 milijonov dolarjev ^[14]. Posledično DUV naprave ostajajo nepogrešljive ne le za čipe starejših generacij (kjer so velikosti elementov večje in jih je lažje tiskati), temveč tudi kot dopolnilo EUV v naprednih procesih. Pravzaprav prodaja DUV še vedno predstavlja večino enot litografskih naprav, dobavljenih vsako leto ^[15]. Proizvajalci čipov imajo ogromno nameščeno bazo DUV skenerjev in obsežno znanje o njihovi uporabi.

Vendar pa je kljub nenehnim izboljšavam 193 nm DUV dosegla temeljno mejo glede tega, kako majhna lahko še postane brez nesorazmernega napora. Praktična ločljivost v optični litografiji približno sledi Rayleighovemu kriteriju: najmanjša velikost elementa ≈ k₁ · (λ/NA), kjer je λ valovna dolžina in NA odprtina leče. Ker je λ fiksirana na 193 nm in je NA največ okoli 1,35 (imerzija), so proizvajalci čipov k₁ stisnili do teoretičnih meja z računalniškimi triki – a da bi še naprej zmanjševali velikost elementov, je morala λ sama postati krajša. Okoli leta 2019 so vodilne livarne, kot sta TSMC in Samsung, komercialno uvedle nov vir litografije pri 13,5 nm valovni dolžini – skoraj 15× krajši od DUV-jevih 193 nm ^[16]. To je uvedlo obdobje ekstremne ultravijolične litografije.

Prehod na ekstremno ultravijolično (EUV) litografijo

Ekstremna ultravijolična litografija (EUV) uporablja bistveno krajšo valovno dolžino svetlobe – 13,5 nm, na meji med UV in rentgenskimi žarki – za osvetljevanje čipov. Z uporabo tako veliko bolj finega “čopiča” lahko EUV tiska veliko manjše tranzistorje in značilnosti z enim samim osvetljevanjem, s čimer se izogne številnim zapletenim večvzorčnim korakom, ki jih pri naprednih vozliščih zahteva DUV ^[17]. V praksi je EUV litografija omogočila množično proizvodnjo čipov v tehnoloških generacijah 7 nm, 5 nm in 3 nm, z veliko manj procesnimi koraki in boljšimi izkoristki kot izključno DUV pristop. Na primer, tajvanski TSMC je začel uporabljati EUV na nekaj ključnih plasteh s svojim procesom 7 nm+ (N7+) leta 2019 – prvi komercialni proces, ki je uporabljal EUV ^[18] – in nato obsežno za svoja 5 nm vozlišča, ki poganjajo procesorje, kot sta Applova A15 in A16 Bionic čipa za pametne telefone ^[19]. Samsung je prav tako začel množično proizvodnjo z EUV v začetku leta 2019 s svojim 7LPP procesom in od takrat uporablja EUV za 5 nm in celo pri izdelavi pomnilniških čipov^[20], ^[21]. Ti premiki so bili prelomni: z uporabo 13,5 nm svetlobe so lahko proizvajalci čipov tiskali značilnosti z enojno izpostavitvijo, ki so prej zahtevale več DUV prehodov, kar je poenostavilo proizvodnjo in omogočilo gostejšo razporeditev tranzistorjev kot kadarkoli prej^[22].

Vendar pa litografija z EUV ni bila lahka revolucija. Potrebovala je več kot dve desetletji raziskav in približno 9–10 milijard dolarjev vlaganj v raziskave in razvoj, da je EUV postal uporaben za množično proizvodnjo ^[23]^[24]. Izzivi so bili ogromni, ker se svetloba 13,5 nm obnaša zelo drugače kot svetloba 193 nm. Prvič, noben material ni prozoren pri 13,5 nm – ni mogoče uporabiti refrakcijskih leč ali običajnih steklenih mask. Namesto tega sistemi EUV uporabljajo popolnoma zrcalni optični sistem: niz natančno oblikovanih večplastnih zrcal s posebnimi premazi, ki odbijajo svetlobo 13,5 nm (vsako zrcalo odbije le del svetlobe, zato se pri več zrcalih intenzivnost močno zmanjša) ^[25]. Fotomaska je prav tako odsevna zrcalna podlaga in ne prozorna steklena plošča. Vse to mora delovati v vakuumu (zrak bi absorbiral EUV). Skratka, EUV skenerji so popolnoma na novo zasnovan optični sistem v primerjavi z DUV orodji, ki vključuje eksotično optiko in izjemno natančnost.

Potem je tu še vir svetlobe: kako sploh ustvariti visokointenzivno ultravijolično svetlobo s 13,5 nm? Odgovor zveni kot znanstvena fantastika: EUV-naprave ustvarjajo svetlobo tako, da usmerijo pulzni visokozmogljiv laser v drobne kapljice staljene kositra, 50.000-krat na sekundo ^[26], ^[27]. Vsak laserski pulz izpari kapljico kositra v izjemno vročo plazmo, ki oddaja EUV-sevanje – v bistvu gre za mini eksplozijo podobno zvezdi, ki se dogaja znotraj stroja. Ti plazemski bliski ustvarijo želeno 13,5 nm svetlobo skupaj z veliko druge nezaželene radiacije in ostankov, zato mora sistem filtrirati in zbrati pravo valovno dolžino ter zaščititi vse ostalo. EUV-svetlobo nato zrcalna optika fokusira in usmeri na rezino v vzorcih. Gre za izjemno neučinkovit proces glede na generiranje svetlobe (velik del energije se izgubi kot toplota), zato mora biti laser, ki napaja vir, izjemno močan. Vir svetlobe v EUV-skenerju lahko porabi približno >1 megavat moči, da zagotovi dovolj pretoka EUV-fotonov za množično proizvodnjo ^[28]. Za primerjavo: 193 nm eksimerni laser porabi le majhen delež te moči. To pojasnjuje, zakaj imajo EUV-naprave ogromne zahteve po energiji in hlajenju ter zakaj alternativne tehnike, kot je nanoimprint litografija (ki sploh ne uporablja laserjev), obljubljajo prihranek energije okoli 90 % ^[29].

Kompleksnost se tu ne konča. Ker so EUV-fotoni tako energični, lahko povzročijo subtilne stohastične učinke v fotorezistu (naključne variacije, ki lahko povzročijo napake, če jih ne omilimo), EUV-maske pa ni mogoče enostavno zaščititi z običajnimi pelikulami (razvoj posebnih EUV-pelikul je bil še en večletni projekt). Vsak del sistema – od vakuumskih stopenj, do šeststopenjskih pozicionerjev rezin, ki se premikajo z metri na sekundo, do inšpekcije napak na teh večplastnih zrcalih – je potiskal meje inženirstva. »To je zelo zahtevna tehnologija – po kompleksnosti je verjetno v rangu projekta Manhattan,« je pripomnil Intelov direktor za litografijo in s tem ponazoril, kako zahtevno je bilo razviti EUV ^[30].

Že vrsto let je veliko strokovnjakov dvomilo, da bo EUV sploh kdaj deloval pravočasno. Glavna igralca Nikon in Canon sta obupala nad raziskavami EUV po številnih ovirah, kar je pustilo ASML (Nizozemska) kot edino podjetje, ki je potiskalo tehnologijo naprej^[31]^[32]. ASML-ova stava se je na koncu izplačala – vendar ne brez pomoči. Leta 2012 so, ob zavedanju strateškega pomena EUV, veliki proizvajalci čipov Intel, TSMC in Samsung skupaj vložili približno 4 milijarde dolarjev v ASML, da bi pospešili razvoj EUV ^[33]. Do leta 2017 je ASML končno predstavil za proizvodnjo pripravljen EUV skener (model NXE:3400B), leta 2019 pa so začeli izhajati prvi komercialni čipi, izdelani z EUV ^[34]^[35]. Industrijski opazovalci so to označili za prelomni trenutek – dolgo odložena EUV revolucija je prispela ravno pravi čas, da podaljša razvojno pot polprevodnikov. Kot je zapisal MIT Technology Review, je ASML-ovo EUV orodje »zaželeno napravo … uporabljeno za izdelavo mikroprocesorskih elementov, majhnih le 13 nanometrov … napolnjeno s 100.000 drobnimi mehanizmi … za dostavo enega kupcu so potrebni štirje letala 747« ^[36]. Skratka, EUV skenerji so čudeži sodobnega inženirstva, ki uporabljajo ultravijolično svetlobo v merilu in kompleksnosti, kakršne še nismo videli.

Zakaj je UV litografija pomembna za mikroprocesorje

Izplačilo za vso to kompleksnost je preprosto: manjši tranzistorji in večja zmogljivost čipov. Z natančnejšim tiskanjem lahko proizvajalci čipov v isto površino stisnejo več tranzistorjev (kar običajno pomeni večjo računsko moč ali nižje stroške na čip) in zmanjšajo električne kapacitivnosti ter razdalje, ki jih morajo signali prepotovati (kar pomeni hitrejše preklapljanje in manjšo porabo energije). To je bistvo Moorovega zakona – zmanjševanje dimenzij tranzistorjev, da jih v vsako generacijo čipa spravimo več – in litografija je temeljni omogočevalec tega napredka ^[37], ^[38]. Ko slišite za nov pametni telefon s čipom, izdelanim v “3 nm procesu” ali strežniški CPU na “5 nm EUV tehnologiji”, te številke v veliki meri odražajo zmogljivosti napredne litografije za definiranje izjemno majhnih značilnosti (čeprav so imena vozlišč deloma marketinška, so povezana z izboljšavami gostote, ki jih je omogočil EUV).

Pomen ultravijolične litografije je morda najbolje ponazorjen, če si predstavljamo, kaj bi se zgodilo brez teh napredkov. Če bi industrija ostala le pri 193 nm DUV, bi proizvajalci čipov morda še vedno našli načine za izdelavo zelo zmogljivih čipov – vendar bi potrebovali toliko ponavljajočih se procesnih korakov (in kompleksnosti, ki zmanjšuje izkoristek), da bi stroški močno narasli, napredek pa bi se drastično upočasnil. Pravzaprav so okoli sredine 2010-ih nekateri napovedovali neizbežen konec Moorovega zakona, ker je optična litografija dosegla svoje meje. EUV je prišel ravno pravi čas in ponudil novo rešilno bilko. Z obnovitvijo enostavnejšega enkratnega izpostavljanja na najnaprednejši ravni je EUV podaljšal načrt razvoja pomanjševanja za vsaj še nekaj generacij. Številni najnaprednejši današnji čipi obstajajo prav zaradi EUV. Na primer, najnovejši Applovi procesorji serije A za pametne telefone in čipi serije M za Mac so izdelani pri TSMC z uporabo 5 nm EUV procesov, kar omogoča število tranzistorjev v desetih milijardah in velik preskok v hitrosti ter učinkovitosti v primerjavi s prejšnjimi generacijami ^[39]. AMD-jevi Ryzen procesorji in grafične kartice, od katerih je veliko izdelanih na TSMC 7 nm ali 5 nm EUV vozliščih, prav tako uživajo v večji gostoti in prihrankih energije. Tudi najsodobnejši AI pospeševalniki in procesorji za podatkovne centre – tisti, ki poganjajo velike AI modele – se zanašajo na EUV-procese 5 nm/4 nm, da gosto zapakirajo matrične računske enote in obvladujejo toplotno moč.

Ni le logični čipi. Pomnilniški čipi prav tako žanjejo koristi napredka v UV litografiji. Proizvajalci visokozmogljivega DRAM so začeli uporabljati EUV za določene kritične plasti v svojih najnovejših generacijah (npr. Samsungov DRAM razreda 14 nm uporablja EUV na več plasteh) za povečanje gostote bitov in izboljšanje izkoristka ^[40]. Tudi Micron uvaja EUV v svojem naslednjem vozlišču DRAM. Več EUV plasti v pomnilniku pomeni več gigabitov shrambe na čip in nižje stroške na bit, kar na koncu pomeni več pomnilnika v vaših napravah za isto ceno. Pravzaprav je izvršni direktor ASML Peter Wennink poudaril, da naraščajoče povpraševanje po umetni inteligenci in podatkih sili proizvajalce pomnilnika v hitro uvajanje EUV – “Proizvajalci DRAM uporabljajo več EUV plasti na trenutnih in prihodnjih vozliščih”, je dejal, kar povečuje povpraševanje po teh orodjih v celotni industriji ^[41].

Skratka, UV litografija neposredno vpliva na zmogljivost mikroprocesorjev. Zmožnost izdelave manjših tranzistorjev ne omogoča le več jeder ali več predpomnilnika na čipu, temveč lahko tudi zmanjša moč, potrebno za preklop vsakega tranzistorja. Zato vsaka nova generacija procesov pogosto prinese 15–30 % izboljšanje zmogljivosti in 20–50 % zmanjšanje porabe energije pri enaki zasnovi, ali pa omogoča podvojitev ali večjo gostoto tranzistorjev. Na primer, prehod TSMC s 7 nm (večinoma DUV) procesa na 5 nm (EUV) je prinesel približno 1,8× povečanje gostote logike in ~15 % izboljšanje hitrosti pri enaki porabi ^[42]. Te izboljšave pomenijo hitrejše pametne telefone, učinkovitejše podatkovne centre in preboje pri nalogah visokozmogljivega računalništva. Ultravijolična litografija je nevidna roka, ki te izboljšave vpisuje v silicij. Kot je povzel eden od raziskovalnih direktorjev v industriji: “Brez EUV ne morete izdelati nobenega vodilnega procesorja”^[43] – tako ključna je za ohranjanje napredka.

Trenutno stanje tehnike in glavni akterji

Od leta 2025 ultravijolična litografija leži v središču vsake napredne tovarne čipov, pri čemer prevladuje le nekaj ključnih akterjev in tehnologij. Tukaj je pregled trenutne krajine in glavnih sil, ki jo poganjajo:

ASML (Nizozemska) – Ključni igralec litografije. ASML je edini ponudnik EUV litografskih sistemov na svetu ^[44]. V poznih 2010-ih je postalo prvo (in edino) podjetje, ki je komercializiralo EUV skenerje, potem ko so konkurenti odstopili ^[45]. Njihova EUV orodja (vsako stane okoli 150–180 milijonov dolarjev ^[46], ^[47]) uporablja vsak vodilni proizvajalec čipov. ASML proizvaja tudi DUV skenerje (kjer tekmuje z Nikonom/Canonom za tržni delež). Zaradi EUV je ASML postal eno najvrednejših podjetij za polprevodniško opremo na svetu – v bistvu ima monopol nad najbolj napredno litografsko tehnologijo. Ena sama najsodobnejša tovarna lahko potrebuje floto 10–20 ASML EUV strojev, kar predstavlja večmilijardno investicijo. Do leta 2021 je bilo na terenu že več kot 100 EUV orodij ^[48], to število pa še naprej raste, saj TSMC, Samsung in Intel širijo uporabo EUV. (Omeniti velja, da izvozni nadzori trenutno preprečujejo ASML prodajo EUV strojev Kitajski, zaradi njihove strateške pomembnosti ^[49].)
TSMC (Tajvan) – Pionir livarn v EUV. TSMC je največji pogodbeni proizvajalec čipov na svetu in je bil prvi, ki je uvedel EUV v množično proizvodnjo (njegovo 7nm+ “N7+” vozlišče leta 2019 je bilo prvo industrijsko EUV-proizvodno vozlišče) ^[50]. TSMC je od takrat obsežno izkoristil EUV za svojo 5 nm generacijo (2019–2020) ter 4 nm/3 nm vozlišča, pri čemer proizvaja čipe za Apple, AMD, Nvidio in mnoge druge z vrhunskimi izkoristki. Z uporabo EUV na številnih ključnih plasteh je TSMC dosegel povečanje gostote, ki opredeljuje ta vozlišča. Vodilna vloga TSMC pri zgodnjem obvladovanju EUV je velik razlog, da je v zadnjih letih prehitel Intel v procesni tehnologiji. V prihodnje TSMC načrtuje nadaljnjo uporabo trenutnega EUV (0,33 NA) skozi svoja 3 nm in celo 2 nm vozlišča ter ocenjuje naslednjo generacijo EUV za naprej ^[51]. (Zanimivo je, da je TSMC nakazal, da morda ne bo hitel z uvedbo prvih High-NA EUV orodij za svoje procese v obdobju 2 nm okoli 2027–2028, raje bo počakal, dokler ekonomika ne bo smiselna ^[52].)
Samsung (Južna Koreja) – Uporabnik EUV v pomnilniku in logiki. Samsung je hitro uvedel EUV za logiko, saj je napovedal 7 nm EUV proizvodnjo že leta 2019 (njegovi mobilni procesorji Exynos in nekateri čipi Qualcomm Snapdragon so jih uporabljali). Samsung je bil tudi pionir pri uporabi EUV v pomnilniku, saj je postal prvi, ki je uporabil EUV pri izdelavi DRAM (za svoj 1z-nm DRAM vozlišče) in pri plastenju V-NAND ^[53]. Samsungova proizvodna linija z EUV v Hwaseongu je bila vzorčni primer, podjetje pa še naprej vlaga v EUV tako za svojo livarsko kot pomnilniško dejavnost. Tako kot TSMC je tudi Samsung kupec prihajajočega ASML-ovega High-NA EUV, čeprav poročila kažejo, da Samsung še ni dokončno določil, kdaj bo ta orodja uvedel v proizvodnjo ^[54]. Medtem pa vsi trenutni vodilni procesi Samsunga (5 nm, 4 nm, 3 nm tranzistorji Gate-All-Around) uporabljajo EUV za zmanjšanje števila maskirnih korakov. Samsung še vedno proizvaja veliko čipov z uporabo DUV in starejših orodij, vendar je za vodilni rob popolnoma predan EUV.
Intel (ZDA) – Tekmuje, da bi se vrnil na vrh. Intel, ki je dolgo vodil na področju litografije, je naletel na zamude pri svojem 10 nm vozlišču (ki je uporabljalo napredno DUV večkratno vzorčenje) in je zato zaostal pri uvajanju EUV. Vendar je od takrat veliko investiral, da bi nadoknadil zaostanek. Najnovejše generacije Intelovih procesov (z blagovno znamko “Intel 4”, “Intel 3”, približno enakovredni ~7 nm in ~5 nm razredu) uporabljajo EUV litografijo za več plasti – Intel 4 na primer uporablja EUV pri proizvodnji prihajajočih procesorjev Meteor Lake ^[55]. Intel je bil tudi eden prvih vlagateljev v ASML in si je zagotovil prednostni dostop do ASML-jevih High-NA EUV strojev: leta 2023 je prejel prvi High-NA EUV stroj na svetu (serija EXE:5000) za raziskave in razvoj, prvi proizvodni High-NA stroj (EXE:5200) pa naj bi prejel do leta 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel namerava te High-NA EUV skenerje uporabiti za svoja vozlišča 1,8 nm in 14Å-generacije (~2027) kot del ambicioznega načrta za ponovno pridobitev vodilnega položaja v procesni tehnologiji ^[58], ^[59]. Z novim vodstvom izvršnega direktorja Intel odkrito poudarja sprejetje EUV in celo storitve kot livarna, kjer bo v bližnji prihodnosti z EUV izdeloval čipe tudi za druga podjetja.
Nikon in Canon (Japonska) – Veterana DUV, ki raziskujeta alternative. Nikon in Canon sta bila nekoč prevladujoča dobavitelja litografskih naprav (v devetdesetih letih je bil še posebej Nikon vodilni pri najsodobnejših stepperjih). Še vedno proizvajata DUV litografska orodja – pravzaprav je Nikon več let dobavljal stroje podjetju Intel in proizvajalcem pomnilnika. Vendar nobeno podjetje ni ponudilo EUV rešitve: oba sta odstopila od razvoja EUV po raziskavah v zgodnjih 2000-ih, s čimer sta ta trg prepustila podjetju ASML ^[60]. Danes Nikon še vedno prodaja 193 nm imerzijske skenerje za množično proizvodnjo (predvsem uporabljene v tovarnah, ki ne uporabljajo najsodobnejših tehnologij, ali kot dopolnilna orodja), medtem ko se je Canon osredotočil na specializirane niše, kot je nanoimprint litografija (NIL). Canonovi novi NIL stroji poskušajo mehansko “odtisniti” vzorce čipov in trdijo, da imajo za velikostni razred nižje stroške in 90 % manjšo porabo energije kot EUV orodja^[61]^[62]. Canon je začel pošiljati svoje prve NIL stroje za preizkus leta 2024 ^[63]. Nekateri vidijo NIL kot potencialno prelomno tehnologijo za določene aplikacije (lahko bi se uporabljala skupaj s konvencionalno litografijo za enostavnejše plasti ali pomnilniške naprave), vendar še ni dokazana za množično proizvodnjo najgostejše logike ^[64]. Za zdaj Nikon in Canon ostajata pomembna v DUV segmentu (in za starejše vozlišča), vendar ima ASML dejanski monopol nad napredno litografijo, potrebno za najsodobnejše mikroprocesorje.
Kitajska prizadevanja – Zmanjševanje zaostanka kljub omejitvam. Kitajska, kjer delujejo velike tovarne čipov, kot je SMIC, trenutno nima dostopa do EUV-tehnologije – ASML nikoli ni smel prodajati EUV-skenerjev Kitajski zaradi izvoznih omejitev pod vodstvom ZDA cnfocus.com. Tudi prodaja najnovejših ASML-jevih DUV imerznih naprav Kitajski je od leta 2023 podvržena dovoljenju nizozemske vlade ^[65]. To je spodbudilo kitajska prizadevanja za razvoj domače litografije. Vodilno kitajsko podjetje za litografsko opremo, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), naj bi izdelalo stroje, sposobne 90 nm in 28 nm DUV-litografije, vendar še ničesar primerljivega z EUV (EUV vključuje obsežen ekosistem patentov in zahtevne fizikalne izzive). Posledično so kitajske tovarne, kot je SMIC, uspele izdelati čip podoben 7 nm z uporabo starejšega DUV z večkratnim vzorčenjem, vendar zaostajajo za vodilnim robom, ki zahteva EUV, za nekaj generacij. Svetovni tržni trendi so tako globoko prepleteni z geopolitiko: litografska orodja so postala strateško sredstvo. Leta 2024 so ASML-jeve prodaje Kitajski (večinoma DUV-oprema) znašale približno 7 milijard dolarjev ^[66], vendar je prihodnja rast negotova zaradi zaostrovanja izvoznih omejitev. Medtem pa povpraševanje drugje močno narašča, zato ASML napoveduje, da bo njegov EUV-posel v letu 2025 poskočil za približno 30 %, kljub morebitnim oviram na Kitajskem ^[67], ^[68].

Izzivi in nedavni napredki

Čeprav je ultravijolična litografija omogočila izjemen napredek, se sooča tudi z pomembnimi izzivi, ki spodbujajo stalne inovacije. Tukaj je nekaj ključnih težav in nedavnih napredkov, ki jih naslavljajo:

Stroški in kompleksnost orodij: Cena EUV skenerjev (~150 milijonov dolarjev ali več za vsakega) in njihova izjemna kompleksnost dvigujeta vstopno oviro za proizvajalce čipov ^[69]. Le nekaj podjetij si lahko privošči velike flote teh orodij. Da bi upravičili stroške, morajo tovarne doseči visoko izkoriščenost in visok izkoristek. Napredek: Naslednja generacija High-NA EUV orodij je še dražja (več kot 300 milijonov dolarjev za vsakega) ^[70], vendar obljublja večjo zmogljivost in ločljivost, kar lahko zniža strošek na tranzistor. Poleg tega prizadevanja na področju strojnega učenja in računalniške litografije pomagajo maksimirati zmogljivost vsakega orodja (z izboljšanjem natančnosti vzorcev in procesnih oken).
Zmogljivost (hitrost skenerja): Zgodnja EUV orodja so obdelala manj rezin na uro kot njihovi DUV predhodniki, deloma zaradi omejene moči vira in bolj občutljive optike. Nizka zmogljivost pomeni nižjo produktivnost tovarne. Napredek: Moč EUV virov se je stalno izboljševala (današnji viri presegajo 250 W, v primerjavi s ~125 W pri prvih proizvodnih orodjih), najnovejši EUV skenerji podjetja ASML lahko osvetlijo ~160 rezin/uro v optimalnih pogojih. Prihajajoči High-NA EUV sistemi bodo imeli prenovljeno optiko z večjo numerično aperturo 0,55 v primerjavi z 0,33, kar izboljša ločljivost, a sprva zmanjša velikost polja. Da bi to nadomestili, ASML razvija ta orodja tako, da bodo sčasoma dosegla ~185 rezin/uro. Pravzaprav je ASML leta 2025 pravkar dostavil svoj prvi model High-NA EUV (EXE:5200) in pravi, da bo zagotovil 60-odstotno povečanje produktivnosti v primerjavi s trenutnimi EUV orodji – približno 175 rezin/uro, kar je primerljivo z DUV skenerji ^[71].
Napake in izkoristek: Ker EUV uporablja odsevne maske in deluje v nanometrskih dimenzijah, je nadzor napak izjemno pomemben. Majhne napake na maski ali delci se lahko prenesejo na rezino, EUV fotoresisti in proces pa lahko povzročijo naključne napake (stohastične težave), če niso optimizirani. Napredek: Industrija je razvila zaščitne pelikle za maske za EUV (da preprečijo delcem dostop do maske) po številnih iteracijah. Kemija fotoresistov se prav tako razvija – novi materiali za resist in tehnike podlag so izboljšali občutljivost in hrapavost robov linij. Proizvajalci čipov poročajo, da so začetne težave z izkoristkom pri EUV večinoma premagane, stopnje napak pa so primerljive s prejšnjimi generacijami ^[72]. Kljub temu raziskovalci še naprej izpopolnjujejo resist in maskirno tehnologijo (vključno z raziskovanjem kovinsko-oksidnih resistov in drugih novih pristopov za EUV).
Poraba energije: Kot omenjeno, so EUV skenerji zelo potratni – vsak lahko porabi približno megavat električne energije med laserskim virom, vakuumskimi črpalkami in hladilnimi sistemi ^[73]. To prispeva k znatnim obratovalnim stroškom in povečuje okoljski odtis tovarn čipov. Napredek: Alternativne litografske metode, kot je Nanoimprint, si prizadevajo drastično zmanjšati porabo energije (Canon trdi, da porabi 90 % manj energije) ^[74]. Tudi znotraj same EUV si inženirji prizadevajo za učinkovitejše vire (npr. višja učinkovitost pretvorbe laserske energije v EUV svetlobo), tako da bodo prihodnja orodja proizvedla več svetlobe z manj vhodne energije. Tudi majhne izboljšave v učinkovitosti vira ali odbojnosti zrcal lahko prinesejo pomembne prihranke energije pri tisočih rezinah.
Meje optične ločljivosti: Tudi EUV pri 13,5 nm bo sčasoma dosegla meje zmanjševanja. Trenutna EUV orodja (0,33 NA) lahko zanesljivo ustvarjajo vzorce s korakom okoli 30 nm; za manjše korake bodo potrebni večkratni vzorci ali High-NA EUV za ~2 nm in manj. Napredek: High-NA EUV je pravzaprav naslednji velik korak – z zvišanjem numerične aperture leče na 0,55 z novo optično zasnovo (kar, mimogrede, zahteva novo 6-palčno masko in povsem novo platformo orodij), bodo ti sistemi lahko razločili približno 30–40 % manjše značilnosti ^[75]. ASML pravi, da bi lahko High-NA EUV skoraj potrojil gostoto tranzistorjev na čipih z omogočanjem manjših značilnosti in tesnejših korakov ^[76]. Prva High-NA EUV orodja naj bi Intel začel pilotno uporabljati okoli 2025–2026, množična uporaba pa je predvidena okoli leta 2028 ^[77]. Ta razširitev naj bi industrijo popeljala skozi 2 nm, 1,5 nm in 1 nm vozlišča (kljub poimenovanju bodo te vključevale značilnosti s koraki v nizkih desetih nanometrih). Za tem bodo morda potrebni drugi pristopi (kot so koncepti “Beyond EUV” pri še krajših valovnih dolžinah ali revolucionarne metode vzorčenja).
Alternativne litografske tehnike: Koncentracija ključnih litografskih zmogljivosti v enem podjetju (ASML) in eni tehnologiji (EUV) je spodbudila zanimanje za alternativne ali pomožne tehnike. Napredek: Poleg Canonovega NIL potekajo raziskave na področju usmerjene samosestave (DSA) – uporabe posebnih materialov, ki se spontano oblikujejo v zelo fine vzorce in lahko dopolnjujejo litografijo za določene strukture. Drug pristop je multiphotonska ali kvantna litografija, ki pa je še večinoma v akademskih okvirih. E-snopna litografija (neposredno pisanje z elektronskimi žarki) se uporablja za izdelavo mask in prototipov, vendar je prepočasna za množično proizvodnjo. Kljub temu podjetja raziskujejo večžarkovna e-snopna orodja za nišno vzorčenje. Če bi te alternative dozorele, bi lahko nekega dne zmanjšale obremenitev optične litografije ali znižale stroške za nekatere plasti. Za zdaj so to »dobrodošle« raziskave, medtem ko optična UV litografija ostaja nepogrešljiv temelj.

Strokovni vpogledi in prihodnji pogled

Soglasje med strokovnjaki iz industrije je, da bo ultravijolična litografija še naprej ključna za izdelavo čipov v predvidljivi prihodnosti, čeprav z nenehnim razvojem. »Nenehno inženiramo in razvijamo… za nas in naše stranke je to strma učna krivulja,« je dejal predstavnik ASML glede uvedbe High-NA EUV in poudaril, da vsak nov preskok (kot je High-NA) zahteva obsežno fino nastavitev ^[78]. Analitiki tudi opozarjajo, da bo stroškovna učinkovitost vodilo pri sprejemanju: »Medtem ko bodo nekateri proizvajalci čipov [High-NA EUV] uvedli prej, da bi pridobili tehnološko vodstvo, jih večina ne bo sprejela, dokler to ekonomsko ne bo smiselno,« je dejal Jeff Koch iz SemiAnalysis in napovedal, da bo večina počakala do približno leta 2030, ko bo prednost upravičila strošek^[79]. Kot odgovor na to izvršni direktor ASML Peter Wennink vztraja, da se bo High-NA izkazal za vrednega prej: »Vse, kar vidimo pri strankah, je, da je High-NA zanje cenejši« pri doseganju naslednje ravni miniaturizacije ^[80]. Ta optimističen pogled nakazuje, da bi naprednejša litografija lahko dejansko znižala skupne stroške z zmanjšanjem števila dodatnih procesnih korakov, ko se kompleksnost povečuje.

ASML-jeve osrednje vloge ni mogoče preceniti – tega se zavedajo tudi vlade. V svetu, kjer najsodobnejši čipi prinašajo gospodarske in vojaške prednosti, je litografska oprema postala strateško sredstvo. Nizozemska vlada (s podporo ZDA) je strogo omejila ASML-jev izvoz naprednih orodij na Kitajsko ^[81], kar je ukrep, namenjen “zaviranju kitajskih polprevodniških ambicij”^[82]. To je povzročilo razcep v globalni dobavni verigi čipov: najbolj napredne logične čipe trenutno proizvajajo le na nekaj mestih (Tajvan, Južna Koreja in kmalu tudi ZDA prek TSMC/Intel tovarn), vsi pa uporabljajo ASML-jeve EUV stroje. Kitajska močno vlaga v dohitevanje na starejših tehnologijah in razvoj lastne litografije, vendar strokovnjaki ocenjujejo, da bi lahko trajalo še mnogo let, da bi se približali enakovrednosti – če sploh kdaj – zaradi visokih ovir v znanju in intelektualni lastnini.

Medtem povpraševanje po UV litografskih orodjih močno narašča vzporedno z razcvetom polprevodniške industrije. Rast umetne inteligence in visokozmogljivega računalništva spodbuja vodilne tovarne k širitvi zmogljivosti. ASML-jeva knjiga naročil za EUV orodja je dosegla rekordne vrednosti – v enem nedavnem četrtletju so naročila narasla na 10 milijard dolarjev, predvsem za prihodnje EUV in High-NA sisteme ^[83]. Podjetje napoveduje, da bodo prihodki, povezani z EUV, v letu 2025 poskočili za približno 40–50 % ^[84], kar bo pomagalo povečati skupno prodajo kljub počasnejšemu povpraševanju s strani proizvajalcev pomnilnikov ali Kitajske ^[85]. Z drugimi besedami, trg najsodobnejše litografije je močan in raste, ASML pa pričakuje, da bo vsako leto dobavil še več deset EUV enot. Do leta 2030 bo High-NA EUV verjetno že široko razširjen, razprava pa se bo usmerila v to, kaj sledi po dobi EUV.

Kaj bi lahko sledilo? Nekateri raziskovalci govorijo o »Onkraj EUV« – morda z uporabo še krajših valovnih dolžin v območju mehkih rentgenskih žarkov (~6–8 nm) ali elektronske/ionske projekcijske litografije – vendar se vsaka od teh poti sooča z zastrašujočimi fizikalnimi izzivi. Zaenkrat je strategija industrije izkoristiti EUV do maksimuma: najprej z uvedbo High-NA EUV za še 1–2 generaciji pomanjšav in s kombiniranjem EUV s pametno integracijo procesov (kot so čipletne arhitekture in 3D zlaganje, ki zmanjšujejo potrebo po monolitnih 2D pomanjšavah). Litografija bo ostala mešanica tehnik: DUV ne bo izginil (uporabljal se bo skupaj z EUV), nove metode, kot je nanoodtis, pa lahko najdejo svojo nišo kot dopolnilo glavnim procesom, če se izkažejo za uspešne. Toda kakršen koli radikalen odmik od optične litografije bi verjetno zahteval tudi spremembo paradigme v zasnovi čipov – česar pa za množično proizvodnjo še ni na obzorju.

Z besedami predsednika TSMC Marka Liua je polprevodniška industrija »delala v tunelu« z jasnim ciljem desetletja: pomanjšaj, pomanjšaj, pomanjšaj ^[86]. Ultravijolična litografija je bila svetloba, ki je vodila ta tunel. Začelo se je z živimi svetilkami in prvinskim UV, nadaljevalo z eksimernimi globoko-UV laserji, ki so nas nosili več kot 20 let ^[87], in zdaj smo dosegli dobo ekstremnega UV, ki tunel še podaljšuje. Potovanje je bilo vse prej kot lahko – zaznamovano z zmagoslavnimi trenutki in pogostimi dvomi – a rezultat je naravnost osupljiv: milijarde struktur, širokih le nekaj deset atomov, brezhibno vzorčenih po velikih rezinah, omogočajo računske dosežke, ki so se pred generacijo zdeli nemogoči.

Ko zremo v prihodnost, je razvoj mikroprocesorjev bolj prepleten z litografijo kot kdaj koli prej. Zmogljivost in sposobnosti naslednjih CPU-jev, GPU-jev in AI pospeševalnikov bodo v veliki meri določene s tem, kako fino in zanesljivo lahko natisnemo njihove značilnosti. Ultravijolična litografija je glavno orodje, ki to omogoča. Strokovnjaki iz industrije so optimistični, da bo z nadaljnjimi inovacijami – od High-NA optike do pametnejše programske opreme in morda kakšnih neortodoksnih idej, kot sta NIL ali DSA – litografija še naprej napredovala. Generalni direktor ASML celo meni, da je načrt za EUV in njegove razširitve trden za naslednje desetletje, kar proizvajalcem čipov daje jasno pot za nadaljnje izboljšave. Globalni tržni trendi kažejo na zdravo rast in močno konkurenco, pa tudi na zbliževanje okoli nekaj ključnih tehnologij in dobaviteljev.

Skratka, svet ultravijolične litografije je zlitje vrhunske fizike in inženirstva z visoko-stavnim gospodarstvom in strategijo. Morda deluje v nevidnem območju UV svetlobe, a njegov vpliv je jasno viden v obliki vse zmogljivejših mikroprocesorjev iz leta v leto. Ko naslednjič slišite za nov preboj »nanometrskega« čipa, se spomnite ultravijolične revolucije, ki deluje v ozadju. Od globokega UV do ekstremnega UV in naprej, te tehnologije res oblikujejo prihodnost mikročipov – vrezujejo naslednje vrstice v zgodbo človeškega tehnološkega napredka, en blisk fotona naenkrat.

Viri

A. Shilov, “Nova tehnika izdelave čipov z ‘žigosanjem’ porabi 90 % manj energije kot EUV,” Tom’s Hardware, 31. jan. 2024 tomshardware.com Samsung Newsroom, “Samsung Electronics začne množično proizvodnjo na novi EUV liniji,” feb. 2020 semiconductor.samsung.com Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “7nm FinFET Plus (N7+) tehnologija – Prva uporaba EUV (2019)” tsmc.com S&P Global Market Intelligence, “ASML pripravljen na ponovni vzpon, ki ga poganja umetna inteligenca, saj povpraševanje po EUV in High-NA močno narašča,” sept. 2023 spglobal.com

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

Oglej si posnetek na YouTube.

C. Thompson, »Inside the machine that saved Moore’s Law,« MIT Technology Review, 27. okt. 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, »Fotolitografija – Trenutno najsodobnejša orodja uporabljajo 193 nm globoko UV eksimerni laserji« ^[90]
M. Chaban, »Lighting the way: How ASML revived Moore’s Law,« Google Cloud Blog, 28. mar. 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 potrjuje prvo pošiljko High-NA EUV EXE:5200…«, 17. jul. 2025 ^[96]
T. Sterling, »Nizozemska vlada izključuje večino prodaje ASML na Kitajsko iz izvoznih podatkov,« Reuters, 17. jan. 2025 ^[97]