Den ultravioletta revolutionen: Inuti de osynliga maskinerna för 150 miljoner dollar som formar framtidens mikrochip

• Ultravioletta litografimaskiner kostar över 150 miljoner dollar styck och är stora som en buss.
• Branschobservatörer kallar den senaste generationen av dessa verktyg för ”maskinerna som räddade Moores lag” eftersom de möjliggör moderna avancerade processorer.
• ASML är den enda leverantören av EUV-litografisystem, där EUV-verktyg kostar omkring 150–180 miljoner dollar styck.
• Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) använde först EUV i volym på sin 7nm+ (N7+)-process år 2019.
• Extrem ultraviolett litografi använder 13,5 nm ljus som produceras genom att skjuta en högenergilaser mot tenn-droppar för att skapa plasma som avger EUV-strålning, med verktyg som drar över 1 megawatt.
• ASML levererade det första High-NA EUV-verktyget, EXE:5200, år 2025, vilket höjer numerisk apertur till 0,55 och siktar på cirka 175 wafers per timme.
• De första kommersiella EUV-chipen lanserades 2019, med TSMC:s 7nm+ (N7+)-process och Samsungs 7LPP som använde EUV.
• Exportkontroller hindrar ASML från att sälja EUV till Kina, medan ASML:s försäljning till Kina 2024 låg på cirka 7 miljarder dollar, mestadels från DUV-verktyg.
• Nikon och Canon drog sig ur EUV-utvecklingen; Nikon fortsätter leverera 193 nm-immersionsskannrar, medan Canon fokuserar på nanoimprint-litografi (NIL) med provleveranser 2024.
• Samsungs DRAM i 14 nm-klassen använder EUV på flera lager och Micron planerar EUV för sin nästa DRAM-nod.

Varje modern mikroprocessor – från chipet i din smartphone till CPU:erna som driver moln-AI – föds under ultraviolett ljus. Faktum är att några av de mest avancerade tillverkningsmaskinerna på jorden riktar osynliga ultravioletta lasrar mot kiselwafers för att etsa de nanoskaliga kretsar som får mikrochip att fungera. Dessa maskiner kostar över 150 miljoner dollar styck, är stora som en buss och arbetar med nästan science fiction-liknande komplexitet – ändå är de de osjungna arbetshästarna bakom Moores lag och den ständiga utvecklingen mot snabbare, mindre och mer effektiva processorer ^[1], ^[2]. Branschobservatörer har till och med gett den senaste generationen av dessa verktyg smeknamnet ”maskinerna som räddade Moores lag,” eftersom det utan dem vore praktiskt taget omöjligt att tillverka avancerade chip ^[3]. Denna rapport dyker ner i världen av ultraviolett litografi – både i dess traditionella deep ultraviolet (DUV) och banbrytande extreme ultraviolet (EUV) former – och förklarar hur det fungerar, varför det är så avgörande för mikroprocessorutveckling och vart tekniken är på väg härnäst.

Ultraviolett litografi kan låta som esoterisk ingenjörskonst, men dess påverkan är mycket verklig och synlig i vårt dagliga liv. Genom att trycka allt finare mönster av transistorer på kisel möjliggör UV-litografi direkt teknikindustrins anmärkningsvärda förbättringstakt. Som en teknik­analytiker uttryckte det rakt på sak, “Moores lag håller i princip på att falla sönder, och utan den här maskinen är det kört. Du kan egentligen inte tillverka några ledande processorer utan EUV.”^[4] Med andra ord, framtiden för mikrochip – och alla prylar och innovationer de driver – hänger nu på att kunna utnyttja ljus med extremt korta våglängder. Nedan går vi igenom hur denna ljusbaserade tryckteknik fungerar, hur den utvecklats till den senaste EUV-teknologin, vilka de stora aktörerna är (från nederländska verktygstillverkaren ASML till chipjättar som TSMC, Samsung och Intel), senaste genombrotten (som nästa generations EUV-maskiner och alternativa tekniker), samt vad branschexperter säger om vägen framåt.

Vad är ultraviolett litografi?

I grunden är litografi vid chiptillverkning jämförbart med fotografering på kisel. En kiselplatta täcks med ett ljuskänsligt material (fotoresist), och en maskin använder fokuserat ljus för att projicera intrikata kretsmönster på plattan genom en schablonliknande mask. Mönstren motsvarar de små transistorerna och ledningarna som utgör en mikroprocessor. Där ljuset träffar förändras resistens kemiskt så att dessa områden kan etsas eller bearbetas, medan täckta områden förblir skyddade. Genom att upprepa denna process lager för lager med extrem precision bygger chiptillverkare upp den komplexa arkitekturen i ett modernt integrerat kretskort.

Nyckeln till upplösning i denna “tryckprocess” är ljusets våglängd. Precis som en finare pensel låter en konstnär måla mindre detaljer, gör en kortare ljusvåglängd att chipstillverkare kan etsa finare strukturer. I årtionden har halvledarindustrin stadigt strävat mot kortare våglängder på det elektromagnetiska spektrumet för att kunna trycka allt mindre transistorer ^[5]. Tidiga chip på 1960-talet använde synligt och långvågigt UV-ljus (g-linje vid 436 nm, i-linje vid 365 nm), men på 1990-talet flyttade den senaste tekniken in i området för djup ultraviolett med kraftfulla excimerlasrar vid 248 nm (KrF) och senare 193 nm (ArF)^[6]. Ljus vid 193 nm – ungefär 1/5 av våglängden för synligt ljus – blev arbetshästen för chipstillverkning under 2000- och 2010-talen. Denna djup-UV (DUV) litografi möjliggjorde minimala strukturer på omkring ~50 nm och mindre, särskilt efter införandet av trick som immersionslinser och multipla exponeringar ^[7]. Faktum är att “excimerlaserlitografi” vid 248 nm och 193 nm var så framgångsrik att den drev Moores lag i ungefär två decennier, vilket gjorde att transistorer kunde fortsätta krympa och chipdensiteten fördubblas enligt plan ^[8].

Men i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet visste ingenjörerna att de närmade sig en våglängdsbarriär med 193 nm-ljus ^[9]. För att mönstra strukturer mycket mindre än ~40–50 nm var 193 nm-litografi tvungen att ta till alltmer invecklade metoder: exotiska optiska knep, multipelmönstring (att exponera samma lager flera gånger med förskjutna masker för att uppnå finare effektiv delning), och andra smarta lösningar ^[10], ^[11]. Dessa tekniker förlängde livslängden för DUV-verktyg (faktum är att chipstillverkare pressade 193 nm hela vägen ner till noder marknadsförda som 10 nm eller till och med 7 nm genom att använda dubbel, trippel eller fyrdubbel mönstring), men till priset av enorm komplexitet, lägre utbyte och skenande produktionskostnader. I mitten av 2010-talet stod det klart att traditionell DUV hade svårt att gå längre – branschen behövde ett språng till en kortare våglängd av ljus för att hålla Moores lag vid liv ^[12].

Djup ultraviolett (DUV) litografi: Arbetsmaskinen

Djup UV-litografi (med ~248 nm och 193 nm-lasrar) har varit arbetshästen för chiptillverkning i många generationer. DUV-verktyg är i grunden extremt precisa projicerande avbildningssystem: de lyser ett UV-laserljus genom en mönstrad fotomask och en serie reduktionslinser för att projicera en förminskad bild på kiselplattan. Moderna 193 nm-system fyller till och med gapet mellan lins och platta med ultrarent vatten (immersionslitografi) för att effektivt öka linsens numeriska apertur och kunna avbilda mindre strukturer ^[13]. Med dessa metoder blev 193 nm immersionslitografi kapabel att skriva ut strukturer långt under sin nominella våglängd – men bara genom att använda upplösningsförbättrande tekniker och upprepade exponeringar. Till exempel, innan EUV kom, tillverkades ledande 7 nm-nodchip med DUV genom att använda fyra separata maskeringssteg för ett enda lager (fyrdubbel mönstring) – en häpnadsväckande komplex övning i precisionsinriktning.

DUV-litografi är mycket mogen och pålitlig. DUV-verktyg från företag som ASML, Nikon och Canon hanterar fortfarande majoriteten av lagren i chipstillverkning idag (även i de mest avancerade fabrikerna används EUV endast för de mest kritiska lagren, medan mindre kritiska lager fortsätter att använda flera DUV-exponeringar). Dessa maskiner är också avsevärt billigare än de senaste EUV-verktygen – en toppmodern immersions-DUV-skanner kan kosta omkring 50–100 miljoner dollar, medan ett EUV-verktyg kostar över 150 miljoner dollar ^[14]. Som ett resultat förblir DUV-verktyg oumbärliga inte bara för äldre generationers chip (där strukturstorlekarna är större och lättare att skriva ut), utan också som ett komplement till EUV i avancerade processer. Faktum är att DUV-försäljningen fortfarande utgör huvuddelen av levererade litografiverktyg varje år ^[15]. Chipstillverkare har en enorm installerad bas av DUV-skannrar och omfattande kunnande i att använda dem.

Trots fortsatta förbättringar nådde dock 193 nm DUV en grundläggande gräns för hur mycket mindre den kunde gå utan orimliga ansträngningar. Den praktiska upplösningen i optisk litografi följer ungefär Rayleigh-kriteriet: minsta strukturstorlek ≈ k₁ · (λ/NA), där λ är våglängden och NA är linsens apertur. Med λ fast på 193 nm och NA maximerad till cirka 1,35 (immersion), pressade chipstillverkare k₁ till dess teoretiska gränser med hjälp av beräkningstekniker – men för att fortsätta minska strukturstorleken var λ tvungen att minska. Runt 2019 hade ledande foundries som TSMC och Samsung kommersiellt introducerat en ny litografiljuskälla vid 13,5 nm våglängd – nästan 15× kortare än DUV:s 193 nm ^[16]. Detta markerade början på eran för extrem ultraviolett litografi.

Skiftet till extrem ultraviolett (EUV) litografi

Extreme Ultraviolet-litografi (EUV) använder dramatiskt kortare våglängd av ljus – 13,5 nm, på gränsen mellan UV och röntgenstrålning – för att exponera chip. Genom att gå över till denna mycket finare “pensel” kan EUV skriva ut mycket mindre transistorer och detaljer med en enda exponering, vilket undviker många av de komplicerade multipla mönstringssteg som krävs av DUV vid avancerade noder ^[17]. I praktiken har EUV-litografi möjliggjort tillverkning av chip i stor skala vid 7 nm, 5 nm och 3 nm teknologigenerationer, med betydligt färre processsteg och bättre utbyten än en helt DUV-baserad metod. Till exempel använde Taiwans TSMC EUV på några kritiska lager med start i sin 7 nm+ (N7+)-process 2019 – den första kommersiella processen som använde EUV ^[18] – och sedan i stor utsträckning för sina 5 nm-noder som driver processorer som Apples A15 och A16 Bionic smartphone-chip ^[19]. Samsung började på liknande sätt massproduktion med EUV i början av 2019 på sin 7LPP-process och har sedan dess använt EUV för 5 nm och även vid tillverkning av minneschip^[20], ^[21]. Dessa steg var avgörande: genom att använda 13,5 nm ljus kunde chiptillverkare skriva ut detaljer med single-pattern-exponeringar som tidigare krävde flera DUV-pass, vilket förenklade tillverkningen och möjliggjorde tätare transistorpackning än någonsin tidigare^[22].

Men EUV-litografi var ingen enkel revolution. Det krävdes över två decennier av forskning och cirka 9–10 miljarder dollar i FoU-utgifter för att göra EUV möjlig för produktion i stor skala ^[23][24]. Utmaningarna var enorma eftersom 13,5 nm ljus beter sig mycket annorlunda än 193 nm ljus. För det första är inget material transparent vid 13,5 nm – du kan inte använda brytningslinser eller konventionella glasmasker. Istället använder EUV-system ett helt spegelbaserat optiskt system: en serie noggrant utformade multilagerspeglar med speciella beläggningar som reflekterar 13,5 nm ljus (varje spegel reflekterar bara en del av ljuset, så med flera speglar minskar intensiteten dramatiskt) ^[25]. Fotomasken är också ett reflekterande spegelsubstrat istället för en transparent glasplatta. Allt detta måste fungera i vakuum (luft skulle absorbera EUV). Kort sagt är EUV-skannrar en total omdesign av det optiska systemet jämfört med DUV-verktyg, och involverar exotisk optik och extrem precision.

Sedan har vi ljuskällan: hur genererar man ens högintensivt ultraviolett ljus på 13,5 nm? Svaret låter som science fiction: EUV-verktyg skapar ljus genom att avfyra en pulserande högeffektslaser mot små droppar av smält tenn, 50 000 gånger per sekund ^[26], ^[27]. Varje laserpuls förångar en tenndroppe till ett extremt hett plasma som avger EUV-strålning – i princip en liten stjärnliknande explosion inuti maskinen. Dessa plasmaexplosioner producerar det önskade 13,5 nm-ljuset tillsammans med en massa annan oönskad strålning och skräp, så systemet måste filtrera och samla in rätt våglängd och skydda allt annat. EUV-ljuset fokuseras sedan av spegeloptiken och riktas mot wafers i mönster. Det är en extremt ineffektiv process när det gäller ljusgenerering (mycket av energin förloras som värme), vilket är anledningen till att lasern som driver källan måste vara otroligt kraftfull. En EUV-scanners ljuskälla kan förbruka i storleksordningen >1 megawatt effekt för att leverera tillräckligt med EUV-fotonflöde för tillverkning i stor skala ^[28]. Som jämförelse använder en 193 nm excimerlaser en bråkdel av den effekten. Detta förklarar varför EUV-verktyg har enorma krav på effekt och kylning, och varför alternativa tekniker som nanoimprintlitografi (som inte använder några lasrar alls) skryter med energibesparingar på ~90 % ^[29].

Denna komplexitet slutar inte där. Eftersom EUV-fotoner är så energirika kan de orsaka subtila stokastiska effekter i fotoresisten (slumpmässiga variationer som kan orsaka defekter om de inte motverkas), och EUV-masker kan inte enkelt skyddas av de vanliga pelliclerna (att utveckla speciella EUV-pellicler var ytterligare en flerårig insats). Varje del av systemet – från vakuumstegen, till waferpositionerare med sex frihetsgrader som rör sig med meter per sekund, till defektinspektion av de där flerskiktspeglarna – pressade ingenjörskonstens gränser. ”Det är en mycket svår teknik – i fråga om komplexitet är det troligen i Manhattanprojektets kategori,” kommenterade Intels litografidirektör, och illustrerade hur utmanande det var att utveckla EUV ^[30].

I många år tvivlade många experter på att EUV någonsin skulle fungera i tid. Stora aktörer som Nikon och Canon gav upp EUV-forskningen efter att ha stött på för många hinder, vilket lämnade ASML (Nederländerna) som det enda företaget som drev teknologin framåt^[31][32]. ASML:s satsning lönade sig till slut – men inte utan hjälp. År 2012, när de insåg den strategiska betydelsen av EUV, investerade de stora chipptillverkarna Intel, TSMC och Samsung gemensamt omkring 4 miljarder dollar i ASML för att påskynda EUV-utvecklingen ^[33]. År 2017 presenterade ASML äntligen en produktionsklar EUV-skanner (modell NXE:3400B), och år 2019 började de första kommersiella chippen tillverkade med EUV rulla ut ^[34][35]. Branschobservatörer hyllade det som ett genombrott – den länge försenade EUV-revolutionen hade anlänt precis i tid för att förlänga halvledarens utvecklingsplan. Som MIT Technology Review noterade är ASML:s EUV-verktyg ”en eftertraktad apparat… som används för att tillverka mikrochipfunktioner så små som 13 nanometer… fylld med 100 000 små mekanismer… det krävs fyra 747:or för att frakta en till en kund” ^[36]. Kort sagt är EUV-skannrar moderna ingenjörskonstens underverk som använder ultraviolett ljus på en skala och komplexitet som aldrig tidigare skådats.

Varför UV-litografi är viktigt för mikroprocessorer

Belöningen för all denna komplexitet är enkel: mindre transistorer och högre chipprestanda. Genom att skriva ut finare strukturer kan chiptillverkare trycka in fler transistorer på samma yta (vilket vanligtvis innebär mer datorkraft eller lägre kostnad per chip) och minska de elektriska kapacitanserna och avstånden som signalerna måste färdas (vilket betyder snabbare switchhastigheter och lägre strömförbrukning). Detta är kärnan i Moore’s lag – att krympa transistordimensionerna för att packa in fler i varje chipgeneration – och litografi är den grundläggande möjliggöraren av denna utveckling ^[37], ^[38]. När du hör om ett nytt smartphonechip tillverkat med en “3 nm-process” eller en server-CPU på “5 nm EUV-teknik”, speglar dessa siffror till stor del de avancerade litografins förmåga att definiera extremt små strukturer (även om nodnamnen är delvis marknadsföring, korrelerar de med densitetsförbättringar som EUV har möjliggjort).

Ultraviolett litografis betydelse illustreras kanske bäst genom att fundera på vad som skulle hända utan dessa framsteg. Om industrin hade hållit sig till endast 193 nm DUV, hade chiptillverkare kanske ändå hittat sätt att göra mycket kraftfulla chip – men de skulle behöva så många upprepade process-steg (och komplexitet som sänker utbytet) att kostnaderna skulle skjuta i höjden och utvecklingen skulle sakta ner dramatiskt. Faktum är att runt mitten av 2010-talet förutspådde vissa Moore’s lags nära förestående slut eftersom optisk litografi nådde sin gräns. EUV kom precis i tid för att ge en ny livlina. Genom att återställa ett enklare mönstringssteg med enkel exponering i framkant, har EUV förlängt skalningsplanen i åtminstone några generationer till. Många av dagens mest avancerade chip existerar tack vare EUV. Till exempel tillverkas Apples senaste A-serie smartphoneprocessorer och M-serie Mac-chip av TSMC med 5 nm EUV-processer, vilket möjliggör transistorräkningar på tiotals miljarder och stora språng i hastighet och effektivitet jämfört med tidigare generationer ^[39]. AMD:s Ryzen-CPU:er och GPU:er, varav många tillverkas på TSMC:s 7 nm- eller 5 nm EUV-noder, får också densitetsökning och strömbesparingar. Även de mest avancerade AI-acceleratorerna och datacenterprocessorerna – de som driver storskaliga AI-modeller – är beroende av EUV-baserade 5 nm/4 nm-processer för att packa matrisberäkningsenheter tätt och hantera värmeutveckling.

Det är inte bara logikkretsar. Minneschip drar också nytta av framsteg inom UV-litografi. Tillverkare av högpresterande DRAM har börjat använda EUV för vissa kritiska lager i sina senaste generationer (t.ex. använder Samsungs 14 nm-klass DRAM EUV på flera lager) för att öka bitdensiteten och förbättra utbytet ^[40]. Micron introducerar också EUV i sin nästa DRAM-nod. Fler EUV-lager i minne innebär fler gigabit lagring per chip och lägre kostnad per bit, vilket i slutändan betyder mer minne i dina enheter för samma pris. Faktum är att ASML:s VD Peter Wennink har påpekat att den ökande efterfrågan på AI och data driver minnestillverkare att snabbt ta till sig EUV – ”DRAM-tillverkare använder fler EUV-lager på nuvarande och framtida noder”, noterade han, vilket ökar efterfrågan på dessa verktyg i hela branschen ^[41].

Kort sagt, UV-litografi påverkar direkt mikroprocessorns kapacitet. Förmågan att tillverka mindre transistorer gör det inte bara möjligt att få plats med fler kärnor eller mer cache på ett chip, utan kan också minska den effekt som krävs för varje transistorswitchning. Det är därför varje ny processgeneration ofta ger en 15–30 % prestandaökning och 20–50 % minskad energiförbrukning vid samma design, eller alternativt möjliggör fördubbling eller mer av transistordensiteten. Till exempel gav TSMC:s övergång från en 7 nm (till stor del DUV) process till 5 nm (EUV) cirka 1,8× ökning i logikdensitet och ~15 % hastighetsökning vid iso-effekt ^[42]. Dessa förbättringar leder till snabbare smartphones, effektivare datacenter och genombrott inom högpresterande databehandling. Ultraviolet litografi är den osynliga handen som mejslar in dessa förbättringar i kisel. Som en forskningschef i branschen sammanfattade: ”Utan EUV kan du egentligen inte tillverka några ledande processorer”^[43] – så avgörande är det för att hålla sig på framstegskurvan.

Nuvarande toppnivå och huvudaktörer

Från och med 2025 ligger ultraviolett litografi i hjärtat av varje avancerad chipfabrik, och den domineras av några få nyckelaktörer och teknologier. Här är en översikt över det nuvarande landskapet och de viktigaste drivkrafterna:

• ASML (Nederländerna) – Navet för litografi. ASML är den enda leverantören av EUV-litografisystem globalt ^[44]. I slutet av 2010-talet blev de det första (och enda) företaget att kommersialisera EUV-skannrar, efter att konkurrenterna dragit sig ur ^[45]. Deras EUV-verktyg (varje kostar cirka 150–180 miljoner dollar ^[46], ^[47]) används av alla ledande tillverkare av avancerade chip. ASML producerar även DUV-skannrar (där de konkurrerar med Nikon/Canon om marknadsandelar). Tack vare EUV har ASML vuxit till ett av världens mest värdefulla företag inom halvledarutrustning – och har i princip ett monopol på den mest avancerade litografitekniken. En enda toppmodern fabrik kan behöva en flotta på 10–20 ASML EUV-maskiner, vilket motsvarar en investering på flera miljarder dollar. Från och med 2021 fanns redan över 100 EUV-verktyg i bruk ^[48], och det antalet fortsätter att öka när TSMC, Samsung och Intel utökar användningen av EUV. (Noterbart är att exportkontroller för närvarande hindrar ASML från att sälja EUV-maskiner till Kina, på grund av deras strategiska betydelse ^[49].)
• TSMC (Taiwan) – Foundrytillverkare som banat väg för EUV. TSMC är världens största kontraktstillverkare av chip och var den första att använda EUV i volymproduktion (dess 7nm+ “N7+”-nod 2019 var branschens första EUV-process) ^[50]. TSMC har sedan dess använt EUV i stor utsträckning för sin 5 nm-generation (2019–2020) och 4 nm/3 nm-noder, och producerar chip för Apple, AMD, Nvidia och många andra med världsledande utbyten. Genom att använda EUV på ett antal kritiska lager uppnådde TSMC de densitetsökningar som definierar dessa noder. TSMC:s ledarskap i att tidigt bemästra EUV är en stor anledning till att de gått om Intel i processteknologi de senaste åren. Framöver planerar TSMC att fortsätta använda nuvarande EUV (0,33 NA) genom sina 3 nm och till och med 2 nm-noder, och utvärderar nästa generations EUV för tiden därefter ^[51]. (Intressant nog har TSMC indikerat att de kanske inte kommer att skynda sig att ta i bruk de första High-NA EUV-verktygen för sina 2 nm-processer runt 2027–2028, utan föredrar att vänta tills ekonomin är rimlig ^[52].)
• Samsung (Sydkorea) – Adopterare av EUV för minne och logik. Samsung var snabba med att ta till sig EUV för logik och meddelade 7 nm EUV-produktion redan 2019 (dess Exynos-mobilprocessorer och vissa Qualcomm Snapdragon-chip använde dessa). Samsung var också pionjär i att använda EUV i minnestillverkning, och blev först med att använda EUV i DRAM-tillverkning (för sin 1z-nm DRAM-nod) och i V-NAND-lager ^[53]. Samsungs EUV-kapabla fabrikslinje i Hwaseong har varit ett skyltfönster, och företaget fortsätter att investera i EUV för både foundry-verksamheten och minnesverksamheten. Liksom TSMC är Samsung kund till ASML:s kommande High-NA EUV, även om rapporter tyder på att Samsung ännu inte har bestämt när de ska införa dessa verktyg i produktion ^[54]. Under tiden använder Samsungs nuvarande flaggskeppsprocesser (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around-transistorer) alla EUV för att minska antalet maskeringssteg. Samsung tillverkar fortfarande många chip med DUV och äldre verktyg, men för den absoluta framkanten är det fullt fokus på EUV.
• Intel (USA) – Tävlar för att återta ledningen. Intel, som länge varit ledande inom litografi, stötte på förseningar vid sin 10 nm-nod (som använde avancerad DUV-multipatterning) och hamnade därför efter i EUV-användning. Men företaget har sedan dess investerat kraftigt för att komma ikapp. Intels senaste processgenerationer (med varumärkena “Intel 4”, “Intel 3”, ungefär motsvarande ~7 nm och ~5 nm-klassen) använder EUV-litografi för flera lager – Intel 4 använder till exempel EUV vid tillverkningen av företagets kommande Meteor Lake-processorer ^[55]. Intel var också en tidig investerare i ASML och har säkrat förstahandsaccess till ASML:s High-NA EUV-maskiner: de fick det världens första High-NA EUV-verktyg (EXE:5000-serien) 2023 för FoU och är planerade att få det första produktionsklara High-NA-verktyget (EXE:5200) till 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel planerar att använda dessa High-NA EUV-skannrar för sina 1,8 nm- och 14Å-generationsnoder (~2027) som en del av sin ambitiösa plan för att återta processledarskapet ^[58], ^[59]. Med nytt VD-ledarskap marknadsför Intel öppet sitt omfamnande av EUV och även tjänster som foundry där de använder EUV för att tillverka chip åt andra företag inom en snar framtid.
• Nikon och Canon (Japan) – Veteraner inom DUV, utforskar alternativ. Nikon och Canon var en gång dominerande leverantörer av litografisk utrustning (på 1990-talet ledde särskilt Nikon inom avancerade steppers). De fortsätter att tillverka DUV-litografiverktyg – faktiskt levererade Nikon under många år maskiner till Intel och minnestillverkare. Men inget av företagen levererade en EUV-lösning: båda drog sig ur EUV-utvecklingen efter forskning i början av 2000-talet och lämnade den marknaden till ASML ^[60]. Idag säljer Nikon fortfarande 193 nm immersionsskannrar för tillverkning i stor skala (särskilt använda i fabriker som inte är i framkant eller som komplementära verktyg), medan Canon har fokuserat på specialiserade nischer som nanoimprintlitografi (NIL). Canons nya NIL-maskiner försöker “stämpla” chipmönster mekaniskt och hävdar en tiodubbel kostnadsminskning och 90 % lägre energiförbrukning än EUV-verktyg^[61][62]. Canon började leverera sina första NIL-verktyg för test 2024 ^[63]. Vissa ser NIL som en potentiellt omvälvande teknik för vissa tillämpningar (det skulle kunna användas tillsammans med konventionell litografi för enklare lager eller minnesenheter), men det är ännu inte bevisat för tillverkning i stor skala av logik med högsta densitet ^[64]. För närvarande är Nikon och Canon fortfarande betydande inom DUV-området (och för äldre noder), men ASML har ett effektivt monopol på den avancerade litografi som krävs för de mest avancerade mikroprocessorerna.
• Kinas ambitioner – Att minska gapet under restriktioner. Kina, som har stora chipfabriker som SMIC, saknar för närvarande tillgång till EUV-teknik – ASML har aldrig fått tillstånd att sälja EUV-skannrar till Kina på grund av exportrestriktioner ledda av USA cnfocus.com. Även försäljningen av ASML:s senaste DUV-immersion-verktyg till Kina är nu föremål för nederländska regeringens licenskrav från och med 2023 ^[65]. Detta har drivit på kinesiska ansträngningar att utveckla inhemsk litografi. Det ledande kinesiska litografiutrustningsföretaget, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), har enligt uppgift byggt maskiner som klarar 90 nm och 28 nm DUV-litografi, men inget i närheten av EUV än (EUV involverar ett omfattande ekosystem av patent och svåra fysikaliska problem). Som ett resultat har kinesiska fabriker som SMIC lyckats producera ett 7 nm-liknande chip med äldre DUV-multipelmönstring, men de ligger fortfarande ett par generationer efter den absoluta framkanten som kräver EUV. Globala marknadstrender är därmed djupt sammanflätade med geopolitik: litografiutrustning har blivit en strategisk tillgång. År 2024 var ASML:s försäljning till Kina (mest DUV-verktyg) cirka 7 miljarder dollar ^[66], men framtida tillväxt är osäker på grund av skärpta exportkontroller. Samtidigt ökar efterfrågan kraftigt på andra håll, så ASML förutspår att deras EUV-verksamhet kommer att öka med cirka 30 % år 2025 trots potentiella motvindar från Kina ^[67], ^[68].

Utmaningar och senaste framsteg

Även om ultraviolett litografi har möjliggjort anmärkningsvärda framsteg, står den också inför betydande utmaningar som driver pågående innovation. Här är några viktiga problemområden och de senaste framstegen som adresserar dem:

• Verktygskostnad & komplexitet: Prislappen för EUV-skannrar (~150 miljoner dollar eller mer styck) och deras enorma komplexitet höjer tröskeln för chipstillverkare ^[69]. Endast ett fåtal företag har råd med stora flottor av dessa verktyg. För att motivera kostnaden behöver fabrikerna hög användningsgrad och hög avkastning. Framsteg: Nästa generations High-NA EUV-verktyg är ännu dyrare (>300 miljoner dollar styck) ^[70], men lovar högre genomströmning och upplösning, vilket potentiellt sänker kostnaden per transistor. Dessutom hjälper satsningar på maskininlärning och computational lithography till att maximera prestandan för varje verktyg (genom att förbättra mönsterfidelitet och processfönster).
• Genomströmning (skannerhastighet): Tidiga EUV-verktyg bearbetade färre wafers per timme än sina DUV-motsvarigheter, delvis på grund av begränsad ljuskraft och känsligare optik. Låg genomströmning innebär lägre produktivitet i fabriken. Framsteg: EUV-ljuskällans effekt har stadigt förbättrats (dagens källor överstiger 250 W, jämfört med ~125 W i de första produktionsverktygen), och ASML:s senaste EUV-skannrar kan exponera ~160 wafers/timme under optimala förhållanden. De kommande High-NA EUV-systemen kommer att ha omdesignad optik med högre numerisk apertur 0,55 vs 0,33, vilket förbättrar upplösningen men initialt minskar fältstorleken. För att kompensera konstruerar ASML dessa verktyg för att så småningom nå ~185 wafers/timme i genomströmning. Faktum är att ASML precis levererade sin första High-NA EUV-modell (EXE:5200) år 2025 och säger att den kommer att ge en produktivitetsökning på 60 % jämfört med nuvarande EUV-verktyg – ungefär 175 wafers/timme, vilket är i nivå med DUV-skannrar ^[71].
• Defekter & avkastning: Eftersom EUV använder reflekterande masker och arbetar i nanoskala är defektkontroll en stor utmaning. Pyttesmå maskdefekter eller partiklar kan tryckas på wafers, och EUV-fotoresist och process kan uppvisa slumpmässiga defekter (stokastiska problem) om de inte är optimerade. Framsteg: Branschen har utvecklat skyddande maskpelliclar för EUV (för att hålla partiklar borta från masken) efter många iterationer. Fotoresistkemin utvecklas också – nya resistmaterial och underlagstekniker har förbättrat känslighet och linjekant-ojämnhet. Chipstillverkare rapporterar att de initiala avkastningsproblemen med EUV till stor del har övervunnits, och defektnivåerna är jämförbara med tidigare noder ^[72]. Forskare fortsätter dock att förfina resist- och maskteknik (inklusive att utforska metal oxide resists och andra nya metoder för EUV).
• Energiförbrukning: Som nämnts är EUV-skannrar mycket energikrävande – varje enhet kan dra ungefär en megawatt elektricitet mellan laserskällan, vakuumpumpar och kylsystem ^[73]. Detta bidrar till de betydande driftkostnaderna och ökar fabriksanläggningarnas miljöpåverkan. Framsteg: Alternativa litografimetoder som Nanoimprint syftar till att drastiskt minska energiförbrukningen (Canon hävdar 90 % lägre energianvändning) ^[74]. Inom EUV strävar ingenjörer efter effektivare källor (t.ex. högre omvandlingseffektivitet från laserenergi till EUV-ljus) så att framtida verktyg producerar mer ljus med mindre tillförd energi. Även små förbättringar i källeffektivitet eller spegelreflektivitet kan ge betydande energibesparingar över tusentals wafers.
• Optisk upplösningsgräns: Även EUV vid 13,5 nm kommer så småningom att nå skalningsgränser. De nuvarande EUV-verktygen (0,33 NA) kan bekvämt göra ~30 nm pitch-mönster; bortom det krävs multipelmönstring eller High-NA EUV för ~2 nm-noden och lägre. Framsteg: High-NA EUV är i princip nästa stora steg – genom att öka linsens NA till 0,55 med en ny optisk design (vilket, värt att notera, kräver en ny 6-tums maskstorlek och helt ny verktygsplattform), kommer dessa system att kunna lösa ut strukturer som är ~30–40 % mindre ^[75]. ASML säger att High-NA EUV kan nästan tredubbla transistortätheten på chip genom att möjliggöra finare strukturer och tätare pitchar ^[76]. De första High-NA EUV-verktygen är planerade för pilotanvändning av Intel runt 2025–2026, med sikte på volymanvändning omkring 2028 ^[77]. Denna förlängning bör ta industrin genom 2 nm-, 1,5 nm- och 1 nm-noderna (trots namngivningen kommer dessa att innebära strukturavstånd på låga tiotal nanometer). Därefter kan andra metoder behövas (som “Beyond EUV”-koncept vid ännu kortare våglängder, eller revolutionerande mönstringsmetoder).
• Alternativa litografitekniker: Koncentrationen av kritisk litografikapacitet till ett företag (ASML) och en teknik (EUV) har väckt intresse för alternativa eller kompletterande tekniker. Utveckling: Förutom Canons NIL pågår arbete med Directed Self-Assembly (DSA) – där man använder speciella material som spontant bildar mycket fina mönster, vilket kan komplettera litografi för vissa strukturer. En annan metod är multiphoton- eller kvantlitografi, som fortfarande till stor del är akademisk. E-strålelitografi (direktritning med elektronstrålar) används för masktillverkning och prototyper, men är för långsam för massproduktion. Trots detta utforskar företag multistråle e-stråleverktyg för nischmönstring. Om dessa alternativ mognar kan de en dag minska belastningen på optisk litografi eller sänka kostnaderna för vissa lager. För närvarande är de “bra att ha”-forskning, medan optisk UV-litografi förblir den oumbärliga huvudmetoden.

Expertinsikter och framtidsutsikter

Konsensus bland branschexperter är att ultraviolett litografi kommer att fortsätta vara navet i chipstillverkning under överskådlig framtid, om än med pågående utveckling. “Vi fortsätter att konstruera och utveckla… det är en brant inlärningskurva för oss och våra kunder,” sa en talesperson för ASML angående lanseringen av High-NA EUV, och betonade att varje nytt steg (som High-NA) kräver omfattande finjustering ^[78]. Analytiker varnar också för att kostnadseffektivitet kommer att styra införandet: “Medan vissa chipstillverkare kan införa [High-NA EUV] tidigare för att få tekniskt ledarskap, kommer de flesta inte att ta det i bruk förrän det är ekonomiskt motiverat,” noterade Jeff Koch från SemiAnalysis, och förutspår att de flesta kommer att vänta till cirka 2030 när fördelen motiverar kostnaden^[79]. Som svar insisterar ASML:s VD Peter Wennink på att High-NA kommer att visa sitt värde tidigare: “Allt vi ser med kunderna är att High-NA är billigare [för dem]” för att uppnå nästa nivå av skalning ^[80]. Denna optimistiska syn antyder att, i takt med att komplexiteten ökar, kan mer avancerad litografi faktiskt minska de totala kostnaderna genom att ta bort extra processsteg.

Man kan inte överdriva ASML:s centrala roll – något som inte har gått regeringar förbi. I en värld där avancerade chip ger ekonomiska och militära fördelar har litografimaskiner blivit en strategisk tillgång. Den nederländska regeringen (med stöd från USA) har strikt begränsat ASML:s export av avancerade verktyg till Kina ^[81], ett drag som syftar till att ”hindra Pekings halvledarambitioner”^[82]. Detta har lett till en uppdelning i den globala chipförsörjningskedjan: de mest avancerade logikchipen tillverkas för närvarande bara på ett fåtal platser (Taiwan, Sydkorea och snart USA via TSMC/Intels fabriker), alla med ASML:s EUV-maskiner. Kina investerar kraftigt för att komma ikapp inom äldre noder och utveckla inhemsk litografi, men experter uppskattar att det kan ta många år att närma sig likvärdighet, om det ens är möjligt, med tanke på de stora kunskaps- och IP-hindren.

Samtidigt ökar efterfrågan på UV-litografiverktyg kraftigt i takt med halvledarboomen. Tillväxten inom AI och högpresterande databehandling driver ledande fabriker att utöka kapaciteten. ASML:s orderböcker för EUV-verktyg slog rekord – under ett nyligen avslutat kvartal steg beställningarna till 10 miljarder dollar, främst för framtida EUV- och High-NA-system ^[83]. Företaget förutspår att EUV-relaterade intäkter kommer att öka med cirka 40–50 % under 2025 ^[84], vilket hjälper till att öka den totala försäljningen trots svagare efterfrågan från minnesmarknaden eller Kina ^[85]. Med andra ord, marknaden för toppmodern litografi är stark och växande, och ASML förväntar sig att leverera dussintals fler EUV-enheter varje år. Till 2030 kommer High-NA EUV sannolikt att spridas, och diskussionen kommer att handla om vad som kommer efter EUV-eran.

Vad kan komma härnäst? Vissa forskare talar om “Beyond EUV” – kanske genom att använda ännu kortare våglängder inom området för mjuk röntgen (~6–8 nm) eller elektron-/jonprojektionlitografi – men var och en av dessa vägar står inför enorma fysikaliska utmaningar. För närvarande är industrins strategi att få ut det mesta av EUV: först genom att lansera High-NA EUV för ytterligare 1–2 generationers förminskning, och genom att kombinera EUV med smart processintegration (såsom chiplet-arkitekturer och 3D-stapling, vilket minskar behovet av monolitiska 2D-förminskningar). Litografi kommer att förbli en blandning av tekniker: DUV försvinner inte (det kommer att användas tillsammans med EUV), och nya metoder som nanoimprint kan hitta en nisch för att komplettera de vanliga processerna om de visar sig fungera. Men varje radikal förändring bort från optisk litografi skulle sannolikt kräva ett paradigmskifte även inom chipdesign – något som ännu inte är på horisonten för tillverkning i stor skala.

Med TSMC:s ordförande Mark Lius ord har halvledarindustrin “arbetat i en tunnel” med ett tydligt mål i decennier: förminska, förminska, förminska ^[86]. Ultraviolet litografi har varit ljuset som guidat den tunneln. Det började med kvicksilverlampor och primitiv UV, gick vidare till excimer deep-UV-lasrar som tog oss framåt i över 20 år ^[87], och har nu nått extrem-UV-eran, som förlänger tunneln ytterligare. Resan har varit allt annat än enkel – präglad av triumfer och frekvent tvivel – men resultatet är inget mindre än häpnadsväckande: miljarder strukturer bara tiotals atomer breda, mönstrade felfritt över stora wafers, vilket möjliggör beräkningsprestationer som verkade omöjliga för en generation sedan.

När vi blickar framåt är mikroprocessorutvecklingen mer sammanflätad med litografi än någonsin. Prestandan och kapaciteten hos nästa generations CPU:er, GPU:er och AI-acceleratorer kommer till stor del att avgöras av hur fint och tillförlitligt vi kan skriva ut deras strukturer. Ultraviolet litografi är det huvudsakliga verktyget som gör detta möjligt. Branschexperter är optimistiska om att litografi, med fortsatta innovationer – från High-NA-optik till smartare mjukvara och kanske några utanför-boxen-idéer som NIL eller DSA – kommer att fortsätta leverera. ASML:s VD antyder till och med att färdplanen för EUV och dess förlängningar är solid för det kommande decenniet, vilket ger chipmakare en tydlig startbana för fortsatta förbättringar. Globala marknadstrender visar på god tillväxt och hård konkurrens, men också en samling kring några avgörande teknologier och leverantörer.

Sammanfattningsvis är världen av ultraviolett litografi en fusion av banbrytande fysik och ingenjörskonst med höga insatser inom ekonomi och strategi. Den verkar kanske i det osynliga UV-ljusets rike, men dess påverkan är tydligt synlig i form av kraftfullare mikroprocessorer år efter år. Nästa gång du hör om ett nytt genombrott för “nanometer”-chip, kom ihåg den ultravioletta revolutionen som arbetar bakom kulisserna. Från deep UV till extreme UV och vidare, dessa teknologier formar verkligen framtiden för mikrochip – och ristar nästa rader i berättelsen om mänsklig teknologisk utveckling, en fotonblixt i taget.

Källor

• C. Thompson, “Inside the machine that saved Moore’s Law,” MIT Technology Review, 27 okt. 2021 ^[88][89]
• Wikipedia, “Photolithography – Current state-of-the-art tools use 193 nm deep UV excimer lasers” ^[90]
• M. Chaban, “Lighting the way: How ASML revived Moore’s Law,” Google Cloud Blog, 28 mars 2023 ^[91][92]
• Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Exploring the Future of EUV Lithography and Beyond,” 4 nov. 2024 ^[93]
• T. Sterling, “Intel orders ASML system for well over $340 mln in quest for chipmaking edge,” Reuters, 19 jan. 2022 ^[94]
• T. Sterling, “ASML’s next chip challenge: rollout of its new $350 mln ‘High NA EUV’ machine,” Reuters, 9 feb. 2024 ^[95]
• TrendForce News, “ASML Confirms First High-NA EUV EXE:5200 Shipment…,” 17 juli 2025 ^[96]
• T. Sterling, “Dutch government excludes most ASML sales to China from export data,” Reuters, 17 jan. 2025 ^[97]
• A. Shilov, ”Ny ’stämplings’-chipteknik använder 90 % mindre energi än EUV,” Tom’s Hardware, 31 jan. 2024 ^[98]
• Samsung Newsroom, ”Samsung Electronics inleder massproduktion vid ny EUV-linje,” feb. 2020 ^[99]
• Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), ”7nm FinFET Plus (N7+) Technology – Först att använda EUV (2019)” ^[100]
• S&P Global Market Intelligence, ”ASML redo för AI-drivet uppsving när efterfrågan på EUV och High-NA ökar,” sept. 2023 ^[101]

References

1. www.reuters.com, 2. www.technologyreview.com, 3. cloud.google.com, 4. www.technologyreview.com, 5. www.technologyreview.com, 6. en.wikipedia.org, 7. en.wikipedia.org, 8. en.wikipedia.org, 9. www.technologyreview.com, 10. cloud.google.com, 11. orbitskyline.com, 12. www.technologyreview.com, 13. en.wikipedia.org, 14. www.fool.com, 15. www.asml.com, 16. orbitskyline.com, 17. orbitskyline.com, 18. www.tsmc.com, 19. orbitskyline.com, 20. semiconductor.samsung.com, 21. www.trendforce.com, 22. cloud.google.com, 23. cloud.google.com, 24. www.technologyreview.com, 25. en.wikipedia.org, 26. www.technologyreview.com, 27. spectrum.ieee.org, 28. www.tomshardware.com, 29. www.tomshardware.com, 30. www.technologyreview.com, 31. www.technologyreview.com, 32. www.technologyreview.com, 33. semiwiki.com, 34. cloud.google.com, 35. www.technologyreview.com, 36. www.technologyreview.com, 37. cloud.google.com, 38. www.technologyreview.com, 39. orbitskyline.com, 40. www.trendforce.com, 41. www.trendforce.com, 42. appleinsider.com, 43. www.technologyreview.com, 44. www.reuters.com, 45. www.technologyreview.com, 46. www.reuters.com, 47. www.technologyreview.com, 48. www.technologyreview.com, 49. www.reuters.com, 50. www.tsmc.com, 51. www.trendforce.com, 52. www.trendforce.com, 53. www.trendforce.com, 54. www.trendforce.com, 55. www.reuters.com, 56. www.reuters.com, 57. www.trendforce.com, 58. www.trendforce.com, 59. www.trendforce.com, 60. www.technologyreview.com, 61. fortune.com, 62. www.tomshardware.com, 63. www.tomshardware.com, 64. www.tomshardware.com, 65. www.reuters.com, 66. www.reuters.com, 67. www.trendforce.com, 68. www.spglobal.com, 69. www.reuters.com, 70. www.reuters.com, 71. www.trendforce.com, 72. orbitskyline.com, 73. www.tomshardware.com, 74. www.tomshardware.com, 75. www.reuters.com, 76. www.reuters.com, 77. www.trendforce.com, 78. www.reuters.com, 79. www.reuters.com, 80. www.reuters.com, 81. www.reuters.com, 82. www.reuters.com, 83. www.tomshardware.com, 84. www.spglobal.com, 85. www.spglobal.com, 86. cloud.google.com, 87. en.wikipedia.org, 88. www.technologyreview.com, 89. www.technologyreview.com, 90. en.wikipedia.org, 91. cloud.google.com, 92. cloud.google.com, 93. orbitskyline.com, 94. www.reuters.com, 95. www.reuters.com, 96. www.trendforce.com, 97. www.reuters.com, 98. www.tomshardware.com, 99. semiconductor.samsung.com, 100. www.tsmc.com, 101. www.spglobal.com