Ultrafialová revoluce: Uvnitř neviditelných strojů za 150 milionů dolarů, které formují budoucnost mikročipů

Stroje pro ultrafialovou litografii stojí více než 150 milionů dolarů za kus a jsou velké jako autobus.
Odborníci z oboru přezdívají nejnovější generaci těchto zařízení „stroje, které zachránily Moorův zákon“, protože umožňují výrobu moderních špičkových procesorů.
ASML je jediným dodavatelem systémů pro EUV litografii, přičemž EUV zařízení stojí kolem 150–180 milionů dolarů za kus.
Společnost Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) poprvé nasadila EUV ve velkém na svém procesu 7nm+ (N7+) v roce 2019.
Extrémní ultrafialová litografie využívá světlo o vlnové délce 13,5 nm, které vzniká vystřelením výkonného laseru na kapky cínu za vzniku plazmatu, jež vyzařuje EUV záření, přičemž spotřeba energie zařízení přesahuje 1 megawatt.
ASML dodala první High-NA EUV zařízení, EXE:5200, v roce 2025, které zvyšuje numerickou aperturu na 0,55 a cílí na zpracování asi 175 waferů za hodinu.
První komerční čipy vyráběné pomocí EUV byly uvedeny v roce 2019, a to s procesem TSMC 7nm+ (N7+) a Samsung 7LPP využívajícím EUV.
Vývozní kontroly brání společnosti ASML prodávat EUV do Číny, zatímco prodeje ASML do Číny v roce 2024 činily asi 7 miliard dolarů, převážně díky DUV zařízením.
Nikon a Canon ustoupily od vývoje EUV; Nikon nadále dodává 193nm imerzní skenery, zatímco Canon se zaměřuje na nanoimprintovou litografii (NIL) s testovacími dodávkami v roce 2024.
Samsungova DRAM třídy 14 nm používá EUV na několika vrstvách a Micron plánuje EUV pro svůj další DRAM uzel.

Každý moderní mikroprocesor – od čipu ve vašem smartphonu až po CPU pohánějící cloudovou AI – se rodí pod ultrafialovým světlem. Ve skutečnosti některé z nejpokročilejších výrobních strojů na Zemi svítí neviditelnými ultrafialovými lasery na křemíkové wafery, aby vyleptaly nanoskopické obvody, díky nimž mikroprocesory fungují. Tyto stroje stojí více než 150 milionů dolarů za kus, jsou velké jako autobus a fungují s téměř sci-fi složitostí – přesto jsou nenápadnými tahouny za Moorovým zákonem a neustálým pokrokem k rychlejším, menším a efektivnějším procesorům ^[1], ^[2]. Odborníci z oboru dokonce nejnovější generaci těchto zařízení přezdívají „stroje, které zachránily Moorův zákon“, protože bez nich by výroba špičkových čipů byla prakticky nemožná ^[3]. Tato zpráva se ponoří do světa ultrafialové litografie – jak v její tradiční podobě deep ultraviolet (DUV), tak v nejmodernější podobě extreme ultraviolet (EUV) – vysvětlí, jak funguje, proč je tak zásadní pro vývoj mikroprocesorů a kam směřuje dál.

Ultrafialová litografie může znít jako esoterické inženýrství, ale její dopad je velmi reálný a viditelný v našem každodenním životě. Tím, že tiskne stále jemnější vzory tranzistorů na křemík, UV litografie přímo umožňuje pozoruhodné tempo zlepšování technologického průmyslu. Jak to jeden technologický analytik řekl bez obalu, „Mooreův zákon se v podstatě rozpadá a bez tohoto stroje je konec. Opravdu nemůžete vyrábět žádné špičkové procesory bez EUV.“^[4] Jinými slovy, budoucnost mikročipů – a všech zařízení a inovací, které pohánějí – nyní závisí na využití světla o velmi malých vlnových délkách. Níže si rozebereme, jak tento tisk založený na světle funguje, jak se vyvinul do nejnovější EUV technologie, kdo jsou hlavní hráči (od nizozemského výrobce nástrojů ASML po čipové giganty jako TSMC, Samsung a Intel), nedávné průlomy (jako stroje nové generace EUV a alternativní techniky) a co říkají odborníci z oboru o další cestě vpřed.

Co je ultrafialová litografie?

V jádru je litografie při výrobě čipů podobná fotografii na křemíku. Křemíkový wafer je potažen světlocitlivým materiálem (fotorezist) a stroj používá zaostřené světlo k promítání složitých vzorů obvodů na tento wafer přes masku podobnou šabloně. Vzory odpovídají drobným tranzistorům a propojení, které tvoří mikroprocesor. Kdekoliv světlo dopadne, chemicky změní rezist, takže tyto oblasti lze leptat nebo dále zpracovávat, zatímco zakryté oblasti zůstávají chráněné. Opakováním tohoto procesu vrstvu po vrstvě s extrémní přesností staví výrobci čipů složitou architekturu moderního integrovaného obvodu.

Klíčem k rozlišení v tomto „tiskovém“ procesu je vlnová délka světla. Stejně jako jemnější štětec umožňuje umělci malovat menší detaily, kratší vlnová délka světla umožňuje výrobcům čipů vytvářet jemnější prvky. Po desetiletí se polovodičový průmysl neustále posouval směrem k kratším vlnovým délkám v elektromagnetickém spektru, aby bylo možné tisknout stále menší tranzistory ^[5]. První čipy v 60. letech používaly viditelné a dlouhovlnné UV světlo (g-linie na 436 nm, i-linie na 365 nm), ale v 90. letech se špičková technologie přesunula do oblasti hlubokého ultrafialového záření s výkonnými excimerovými lasery na 248 nm (KrF) a později 193 nm (ArF)^[6]. Světlo o vlnové délce 193 nm – asi 1/5 vlnové délky viditelného světla – se stalo hlavním nástrojem pro výrobu čipů v průběhu 2000. a 2010. let. Tato hluboká UV (DUV) litografie umožnila minimální prvky o velikosti ~50 nm a méně, zejména po zavedení triků jako jsou imerzní čočky a vícenásobné expozice ^[7]. Ve skutečnosti byla „excimerová laserová litografie“ na 248 nm a 193 nm tak úspěšná, že poháněla Moorův zákon po dobu asi dvou desetiletí, což umožnilo, aby se velikost tranzistorů neustále zmenšovala a hustota čipů se zdvojnásobovala podle plánu ^[8].

Nicméně koncem 90. let a začátkem 21. století si inženýři uvědomovali, že se s 193nm světlem blíží k vlnové bariéře ^[9]. Pro vytváření struktur mnohem menších než ~40–50 nm musela 193nm litografie používat stále složitější metody: exotické optické triky, vícenásobné maskování (expozice téže vrstvy několikrát s posunutými maskami pro dosažení jemnějšího rozestupu) a další chytrá řešení ^[10], ^[11]. Tyto techniky prodloužily životnost DUV zařízení (výrobci čipů skutečně natáhli 193 nm až k uzlům označovaným jako 10 nm nebo dokonce 7 nm pomocí dvojitého, trojitého či čtyřnásobného maskování), ale za cenu obrovské složitosti, nižší výtěžnosti a prudce rostoucích výrobních nákladů. V polovině 10. let bylo jasné, že tradiční DUV je na hranici svých možností – průmysl potřeboval přechod na kratší vlnovou délku světla, aby udržel platnost Moorova zákona ^[12].

Hloubková ultrafialová (DUV) litografie: Tahoun průmyslu

Hloubková UV litografie (využívající lasery ~248 nm a 193 nm) byla po mnoho generací tahounem technologie výroby čipů. DUV zařízení jsou v podstatě extrémně přesné projekční zobrazovací systémy: UV laser prochází vzorovanou fotomaskou a sérií redukčních čoček, aby vytvořil zmenšený obraz na křemíkovém waferu. Moderní 193nm systémy dokonce vyplňují mezeru mezi čočkou a waferem ultračistou vodou (imverzní litografie), čímž efektivně zvyšují numerickou aperturu čočky a umožňují rozlišit menší struktury ^[13]. Pomocí těchto metod se 193nm imverzní litografie stala schopnou tisknout struktury hluboko pod svou nominální vlnovou délku – ale pouze za použití technik zvyšujících rozlišení a opakovaných expozic. Například před příchodem EUV byly špičkové čipy na 7nm uzlu realizovány pomocí DUV s použitím čtyř samostatných maskovacích kroků pro jednu vrstvu (čtyřnásobné maskování) – což je ohromně složité cvičení v přesném zarovnání.

DUV litografie je vysoce vyspělá a spolehlivá. DUV zařízení od společností jako ASML, Nikon a Canon stále zpracovávají většinu vrstev při výrobě čipů (i v nejmodernějších továrnách používají EUV pouze ty nejkritičtější vrstvy, zatímco méně kritické vrstvy se nadále exponují pomocí více DUV expozic). Tato zařízení jsou také výrazně levnější než nejnovější EUV zařízení – špičkový imerzní DUV skener může stát zhruba 50–100 milionů dolarů, zatímco EUV zařízení vyjde na 150+ milionů ^[14]. Výsledkem je, že DUV zařízení zůstávají nepostradatelná nejen pro čipy starších generací (kde jsou velikosti prvků větší a snáze tisknutelné), ale také jako doplněk k EUV v pokročilých procesech. Ve skutečnosti prodeje DUV stále tvoří většinu jednotek litografického vybavení dodaných každý rok ^[15]. Výrobci čipů mají obrovskou základnu nainstalovaných DUV skenerů a rozsáhlé know-how v jejich používání.

Nicméně i přes neustálé zdokonalování 193nm DUV narazila na základní limit v tom, jak moc se ještě může zmenšovat bez neúnosného úsilí. Praktické rozlišení v optické litografii se řídí přibližně Rayleighovým kritériem: minimální velikost prvku ≈ k₁ · (λ/NA), kde λ je vlnová délka a NA je apertura čočky. Při λ fixované na 193 nm a NA maximálně kolem 1,35 (imerze) výrobci čipů stlačili k₁ na jeho teoretické limity pomocí výpočetních triků – ale aby se velikost prvků dále zmenšovala, muselo se zmenšit samotné λ. Kolem roku 2019 zavedly přední foundry jako TSMC a Samsung komerčně nový zdroj litografického světla na 13,5 nm vlnové délky – téměř 15× kratší než DUV 193 nm ^[16]. To zahájilo éru extrémní ultrafialové litografie.

Přechod na extrémní ultrafialovou (EUV) litografii

Extrémní ultrafialová litografie (EUV) používá dramaticky kratší vlnovou délku světla – 13,5 nm, na hranici mezi UV a rentgenovým zářením – k expozici čipů. Přechodem na tento mnohem jemnější „štětec“ může EUV tisknout mnohem menší tranzistory a prvky jedním záběrem, čímž se vyhýbá mnoha složitým krokům vícenásobného vzorování, které jsou u DUV na pokročilých uzlech potřeba ^[17]. V praktických termínech umožnila EUV litografie hromadnou výrobu čipů v technologických generacích 7 nm, 5 nm a 3 nm s mnohem menším počtem procesních kroků a lepší výtěžností než čistě DUV přístup. Například tchajwanská TSMC použila EUV na několika klíčových vrstvách počínaje svým procesem 7 nm+ (N7+) v roce 2019 – první komerční proces využívající EUV ^[18] – a poté rozsáhle u svých 5nm uzlů, které pohánějí procesory jako Apple A15 a A16 Bionic pro chytré telefony ^[19]. Podobně Samsung zahájil hromadnou výrobu s EUV začátkem roku 2019 na svém procesu 7LPP a od té doby nasadil EUV pro 5nm a dokonce i při výrobě paměťových čipů^[20], ^[21]. Tyto kroky byly zásadní změnou: díky použití 13,5nm světla mohli výrobci čipů tisknout prvky s jedinou expozicí, které dříve vyžadovaly více DUV průchodů, což zjednodušilo výrobu a umožnilo hustší uspořádání tranzistorů než kdy dříve^[22].

Nicméně, EUV litografie nebyla snadnou revolucí. Trvalo více než dvě desetiletí výzkumu a ~9–10 miliard dolarů investovaných do vývoje, aby se EUV stala životaschopnou pro velkoobjemovou výrobu ^[23]^[24]. Výzvy byly obrovské, protože světlo o vlnové délce 13,5 nm se chová velmi odlišně od světla o vlnové délce 193 nm. Za prvé, žádný materiál není při 13,5 nm průhledný – nelze použít lomivé čočky ani běžné skleněné masky. Místo toho EUV systémy používají zcela zrcadlový optický systém: sérii precizně tvarovaných vícevrstvých zrcadel se speciálními povlaky, které odrážejí světlo o vlnové délce 13,5 nm (každé zrcadlo odrazí pouze část světla, takže s více zrcadly intenzita dramaticky klesá) ^[25]. Fotomaska je také reflexní zrcadlový substrát, nikoli průhledná skleněná deska. To vše musí fungovat ve vakuum (vzduch by EUV pohltil). Stručně řečeno, EUV skenery jsou kompletním přepracováním optického systému ve srovnání s DUV nástroji, zahrnující exotickou optiku a extrémní přesnost.

Pak je tu zdroj světla: jak vůbec generovat vysoce intenzivní ultrafialové světlo o vlnové délce 13,5 nm? Odpověď zní jako sci-fi: EUV zařízení vytvářejí světlo tím, že pulzní výkonný laser zasahuje drobné kapky roztaveného cínu, a to 50 000krát za sekundu ^[26], ^[27]. Každý laserový pulz přemění kapku cínu na extrémně horkou plazmu, která vyzařuje EUV záření – v podstatě jde o miniaturní hvězdnou explozi uvnitř stroje. Tyto plazmové záblesky produkují požadované světlo o vlnové délce 13,5 nm spolu s množstvím dalšího nežádoucího záření a zbytků, takže systém musí filtrovat a sbírat správnou vlnovou délku a vše ostatní odstínit. EUV světlo je pak zaostřeno zrcadlovou optikou a směrováno na wafer ve vzorech. Z hlediska generování světla jde o velmi neefektivní proces (většina energie se ztrácí jako teplo), což je důvod, proč musí být laser napájející zdroj neuvěřitelně výkonný. Zdroj světla EUV skeneru může spotřebovat řádově >1 megawatt energie, aby dodal dostatečný tok EUV fotonů pro velkoobjemovou výrobu ^[28]. Naproti tomu excimerový laser s vlnovou délkou 193 nm spotřebuje jen zlomek této energie. To vysvětluje, proč mají EUV zařízení obrovské nároky na energii a chlazení a proč alternativní techniky jako nanoimprintová litografie (která vůbec nepoužívá lasery) slibují úsporu energie až ~90 % ^[29].

Tím složitost nekončí. Protože EUV fotony jsou tak energetické, mohou vyvolávat jemné stochastické efekty ve fotorezistu (náhodné odchylky, které mohou způsobit vady, pokud nejsou potlačeny), a EUV masky nelze snadno chránit běžnými pelikulami (vývoj speciálních EUV pelikul byl další několikaletý úkol). Každá část systému – od vakuových stupňů, přes šestiosé polohovače waferu pohybující se rychlostí metrů za sekundu, až po kontrolu vad těchto vícevrstvých zrcadel – posouvala hranice inženýrství. „Je to velmi obtížná technologie – co do složitosti je to pravděpodobně na úrovni projektu Manhattan,“ poznamenal ředitel litografie společnosti Intel, aby ilustroval, jak náročný byl vývoj EUV ^[30].

Po mnoho let spousta odborníků pochybovala, že EUV někdy bude fungovat včas. Hlavní hráči Nikon a Canon vzdali výzkum EUV poté, co narazili na příliš mnoho překážek, a ASML (Nizozemsko) zůstala jako jediná firma, která tuto technologii posouvala vpřed^[31]^[32]. Sázka ASML se nakonec vyplatila – ale ne bez pomoci. V roce 2012, když si uvědomili strategický význam EUV, velcí výrobci čipů Intel, TSMC a Samsung společně investovali do ASML asi 4 miliardy dolarů, aby urychlili vývoj EUV ^[33]. V roce 2017 ASML konečně představila produkčně připravený EUV skener (model NXE:3400B) a v roce 2019 se začaly objevovat první komerční čipy vyrobené pomocí EUV ^[34]^[35]. Odborníci z oboru to označili za přelomový okamžik – dlouho očekávaná EUV revoluce dorazila právě včas, aby prodloužila plán vývoje polovodičů. Jak poznamenal MIT Technology Review, EUV nástroj od ASML je „žádané zařízení… používané k výrobě mikrostruktur čipů o velikosti až 13 nanometrů… obsahuje 100 000 drobných mechanismů… na přepravu jednoho kusu k zákazníkovi jsou potřeba čtyři letadla 747“ ^[36]. Stručně řečeno, EUV skenery jsou zázraky moderního inženýrství, které využívají ultrafialové světlo v měřítku a složitosti, jaká tu ještě nebyla.

Proč je UV litografie důležitá pro mikroprocesory

Výsledek veškeré této složitosti je přímočarý: menší tranzistory a vyšší výkon čipů. Tím, že tisknou jemnější prvky, mohou výrobci čipů vměstnat více tranzistorů na stejnou plochu (což obvykle znamená větší výpočetní výkon nebo nižší cenu za čip) a snížit elektrické kapacity a vzdálenosti, které musí signály překonávat (což znamená rychlejší spínací rychlosti a nižší spotřebu energie). To je podstata Mooreova zákona – zmenšování rozměrů tranzistorů, aby se do každé generace čipů vešlo více – a litografie je základním umožňovatelem tohoto pokroku ^[37], ^[38]. Když slyšíte o novém čipu do smartphonu vyrobeném „3nm procesem“ nebo serverovém CPU na „5nm EUV technologii“, tato čísla do značné míry odrážejí schopnosti pokročilé litografie definovat extrémně malé prvky (i když názvy uzlů jsou částečně marketingové, korelují se zlepšením hustoty, které EUV umožnila).

Význam ultrafialové litografie je možná nejlépe ilustrován tím, co by se stalo bez těchto pokroků. Kdyby průmysl zůstal pouze u 193nm DUV, mohli by výrobci čipů stále najít způsoby, jak vyrábět velmi výkonné čipy – ale potřebovali by tolik opakovaných výrobních kroků (a složitosti, která snižuje výtěžnost), že by náklady prudce vzrostly a pokrok by se dramaticky zpomalil. Skutečně, kolem poloviny 2010. let někteří předpovídali blízký konec Mooreova zákona, protože optická litografie narážela na své limity. EUV přišla právě včas, aby poskytla nové záchranné lano. Tím, že obnovila jednodušší jednorázové vzorování na špičkové úrovni, EUV prodloužila plán zmenšování minimálně o několik dalších generací. Řada dnešních nejpokročilejších čipů vděčí za svou existenci EUV. Například nejnovější procesory Apple řady A pro smartphony a čipy řady M pro Mac jsou vyráběny společností TSMC pomocí 5nm EUV procesů, což umožňuje počty tranzistorů v desítkách miliard a výrazné skoky v rychlosti a efektivitě oproti předchozím generacím ^[39]. Procesory a grafické karty AMD Ryzen, z nichž mnohé jsou vyráběny na 7nm nebo 5nm EUV uzlech TSMC, si rovněž užívají zvýšené hustoty a úspory energie. Dokonce i nejmodernější AI akcelerátory a procesory pro datová centra – ty, které pohánějí velké AI modely – spoléhají na EUV 5nm/4nm procesy, aby mohly hustě integrovat matice pro výpočty a zvládat tepelné zatížení.

Nejde jen o logické čipy. Paměťové čipy také těží z pokroku v UV litografii. Výrobci vysoce výkonných DRAM začali používat EUV pro některé kritické vrstvy ve svých nejnovějších generacích (např. Samsungova DRAM třídy 14 nm používá EUV na několika vrstvách) ke zvýšení hustoty bitů a zlepšení výtěžnosti ^[40]. Micron také zavádí EUV ve svém dalším DRAM uzlu. Více EUV vrstev v paměti znamená více gigabitů úložiště na čip a nižší cenu za bit, což nakonec znamená více paměti ve vašich zařízeních za stejnou cenu. Ve skutečnosti generální ředitel ASML Peter Wennink poukázal na to, že rostoucí poptávka po AI a datech tlačí výrobce pamětí k rychlému přijetí EUV – „Výrobci DRAM používají více EUV vrstev na současných i budoucích uzlech“, poznamenal, což zvyšuje poptávku po těchto nástrojích v celém odvětví ^[41].

Stručně řečeno, UV litografie přímo ovlivňuje schopnosti mikroprocesorů. Schopnost vyrábět menší tranzistory nejen umožňuje umístit více jader nebo větší cache na čip, ale také může snížit energii potřebnou pro přepínání každého tranzistoru. Proto každá nová generace procesu často přináší 15–30% nárůst výkonu a 20–50% snížení spotřeby při stejném návrhu, nebo alternativně umožňuje zdvojnásobení či více hustoty tranzistorů. Například přechod TSMC z 7 nm (převážně DUV) procesu na 5 nm (EUV) přinesl přibližně 1,8× zvýšení hustoty logiky a ~15% nárůst rychlosti při stejné spotřebě ^[42]. Tato vylepšení znamenají rychlejší smartphony, efektivnější datová centra a průlomy v úlohách vysokovýkonného výpočetnictví. Ultrafialová litografie je neviditelná ruka, která tyto pokroky vyřezává do křemíku. Jak to shrnul jeden z ředitelů výzkumu v oboru: „Bez EUV nelze skutečně vyrábět žádné špičkové procesory“^[43] – je to tak zásadní pro udržení tempa pokroku.

Současný stav techniky a hlavní hráči

K roku 2025 ultrafialová litografie stojí v srdci každé pokročilé továrny na čipy a je ovládána několika klíčovými hráči a technologiemi. Zde je pohled na současnou situaci a hlavní síly, které ji pohánějí:

ASML (Nizozemsko) – Klíčový hráč v litografii. ASML je jediným poskytovatelem EUV litografických systémů na světě ^[44]. Na konci 10. let 21. století se stala první (a jedinou) firmou, která komercializovala EUV skenery, poté co konkurenti odstoupili ^[45]. Její EUV zařízení (každé stojí kolem 150–180 milionů dolarů ^[46], ^[47]) používá každý přední výrobce čipů. ASML také vyrábí DUV skenery (kde soupeří s Nikon/Canon o podíl na trhu). Díky EUV se ASML stala jednou z nejhodnotnějších firem na světě v oblasti polovodičového vybavení – v podstatě drží monopol na nejpokročilejší litografickou technologii. Jedna špičková továrna může potřebovat flotilu 10–20 EUV strojů ASML, což představuje investici v řádu miliard dolarů. K roku 2021 bylo v provozu již přes 100 EUV zařízení ^[48] a toto číslo dále roste, jak TSMC, Samsung a Intel rozšiřují využití EUV. (Pozoruhodné je, že vývozní kontroly v současnosti brání ASML prodávat EUV stroje do Číny kvůli jejich strategickému významu ^[49].)
TSMC (Tchaj-wan) – Průkopník foundry v EUV. TSMC je největší smluvní výrobce čipů na světě a byl prvním, kdo nasadil EUV ve velkoobjemové výrobě (jeho 7nm+ „N7+“ uzel v roce 2019 byl prvním EUV procesem v odvětví) ^[50]. Od té doby TSMC rozsáhle využívá EUV pro svou 5nm generaci (2019–2020) a 4nm/3nm uzly, vyrábí čipy pro Apple, AMD, Nvidii a mnoho dalších s prvotřídními výtěžky. Použitím EUV na řadě kritických vrstev dosáhlo TSMC zvýšení hustoty, které tyto uzly definují. Vedení TSMC v časném zvládnutí EUV je hlavním důvodem, proč v posledních letech předběhlo Intel v procesní technologii. Do budoucna TSMC plánuje pokračovat v používání současného EUV (0,33 NA) až do svých 3nm a dokonce 2nm uzlů a zvažuje příští generaci EUV pro další vývoj ^[51]. (Zajímavé je, že TSMC naznačilo, že možná nebude spěchat s nasazením prvních High-NA EUV nástrojů pro své procesy éry 2 nm kolem let 2027–2028, a raději počká, až to bude ekonomicky smysluplné ^[52].)
Samsung (Jižní Korea) – Adoptér v pamětech a logice. Samsung rychle přijal EUV pro logiku a oznámil 7nm EUV výrobu již v roce 2019 (jeho mobilní procesory Exynos a některé čipy Qualcomm Snapdragon ji využívaly). Samsung také vedl využití EUV v pamětech, když se stal prvním, kdo použil EUV při výrobě DRAM (pro svůj 1z-nm DRAM uzel) a při vrstvení V-NAND ^[53]. Samsungova továrna s podporou EUV v Hwaseongu je ukázková a společnost nadále investuje do EUV jak pro foundry byznys, tak pro paměťový byznys. Stejně jako TSMC je Samsung zákazníkem připravovaného High-NA EUV od ASML, ačkoliv zprávy naznačují, že Samsung ještě nerozhodl, kdy tyto nástroje zavede do výroby ^[54]. Mezitím všechny současné špičkové procesy Samsungu (5nm, 4nm, 3nm tranzistory Gate-All-Around) využívají EUV ke snížení počtu maskovacích kroků. Samsung také stále vyrábí mnoho čipů pomocí DUV a starších nástrojů, ale v oblasti špičkových technologií je plně zaměřen na EUV.
Intel (USA) – Závod o návrat na špičku. Společnost Intel, která byla dlouho lídrem v oblasti litografie, narazila na zpoždění u svého 10nm procesu (který využíval pokročilé DUV multipatterning) a proto zaostala v adopci EUV. Od té doby však výrazně investovala, aby tento náskok dohnala. Nejnovější generace procesů Intelu (označené jako „Intel 4“, „Intel 3“, přibližně odpovídající třídě ~7 nm a ~5 nm) využívají EUV litografii pro více vrstev – například Intel 4 používá EUV při výrobě nadcházejících CPU Meteor Lake společnosti ^[55]. Intel byl také jedním z prvních investorů do ASML a zajistil si přednostní přístup k High-NA EUV strojům od ASML: v roce 2023 obdržel první High-NA EUV nástroj na světě (řada EXE:5000) pro výzkum a vývoj a má získat první produkční High-NA nástroj (EXE:5200) v letech 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel plánuje použít tyto High-NA EUV skenery pro své uzly 1,8 nm a generaci 14Å (~2027) jako součást svého ambiciózního plánu znovu získat technologické vedení ^[58], ^[59]. S novým vedením CEO Intel otevřeně propaguje své přijetí EUV a dokonce i služby foundry, kdy bude v blízké budoucnosti pomocí EUV vyrábět čipy i pro jiné společnosti.
Nikon a Canon (Japonsko) – Veteráni DUV, hledající alternativy. Nikon a Canon byli kdysi dominantními dodavateli litografického vybavení (v 90. letech vedl zejména Nikon v oblasti špičkových stepperů). Stále vyrábějí DUV litografické nástroje – ve skutečnosti Nikon po mnoho let dodával stroje Intelu a výrobcům pamětí. Ani jedna společnost však nedodala řešení pro EUV: obě ustoupily od vývoje EUV po výzkumu na počátku 21. století a přenechaly tento trh společnosti ASML ^[60]. Dnes Nikon stále prodává 193nm imerzní skenery pro velkoobjemovou výrobu (zejména používané v továrnách se staršími technologiemi nebo jako doplňkové nástroje), zatímco Canon se zaměřil na specializované segmenty, jako je nanoimprintová litografie (NIL). Nové NIL stroje od Canonu se snaží „razit“ čipové vzory mechanicky a tvrdí, že mají řádově nižší náklady a o 90 % nižší spotřebu energie než EUV nástroje^[61]^[62]. Canon začal v roce 2024 dodávat své první NIL nástroje k testování ^[63]. Někteří vidí NIL jako potenciálně disruptivní technologii pro určité aplikace (mohla by být použita spolu s konvenční litografií pro jednodušší vrstvy nebo paměťová zařízení), ale zatím není ověřena pro velkoobjemovou výrobu nejhustější logiky ^[64]. Prozatím zůstávají Nikon a Canon významní v oblasti DUV (a pro starší výrobní uzly), ale ASML má faktický monopol na pokročilou litografii potřebnou pro špičkové mikroprocesory.
Aspirace Číny – Dohánění pod omezeními. Čína, která hostí hlavní čipové továrny jako SMIC, v současnosti nemá přístup k EUV technologii – ASML nikdy nesměla prodávat EUV skenery do Číny kvůli vývozním omezením vedeným USA cnfocus.com. Dokonce i prodej nejnovějších DUV imerzních zařízení ASML do Číny nyní od roku 2023 podléhá licenci nizozemské vlády ^[65]. To podnítilo čínské snahy o vývoj domácí litografie. Přední čínská firma na litografická zařízení, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), údajně postavila stroje schopné 90nm a 28nm DUV litografie, ale zatím nic, co by se blížilo EUV (EUV zahrnuje rozsáhlý ekosystém patentů a složité fyzikální problémy). Výsledkem je, že čínské továrny jako SMIC dokázaly vyrobit čip podobný 7nm pomocí staršího DUV s vícenásobným patterningem, ale stále zaostávají o několik generací za špičkou, která vyžaduje EUV. Globální tržní trendy jsou tedy hluboce provázány s geopolitikou: litografická zařízení se stala strategickým aktivem. V roce 2024 prodeje ASML do Číny (většinou DUV zařízení) činily asi 7 miliard dolarů ^[66], ale budoucí růst je nejistý kvůli zpřísňujícím se vývozním kontrolám. Mezitím poptávka jinde prudce roste, takže ASML očekává, že její EUV byznys v roce 2025 vzroste o ~30 % navzdory možným protivětrům z Číny ^[67], ^[68].

Výzvy a nedávné pokroky

Ačkoliv ultrafialová litografie umožnila pozoruhodný pokrok, čelí také významným výzvám, které pohánějí další inovace. Zde jsou některé klíčové problémy a nedávné pokroky, které je řeší:

Náklady a složitost nástrojů: Cenovka EUV skenerů (~150 milionů dolarů nebo více za kus) a jejich obrovská složitost zvyšují vstupní bariéru pro výrobce čipů ^[69]. Jen několik společností si může dovolit velké flotily těchto nástrojů. Aby se náklady ospravedlnily, fabriky potřebují vysoké využití a vysokou výtěžnost. Pokrok: Nástroje nové generace High-NA EUV jsou ještě dražší (více než 300 milionů dolarů za kus) ^[70], ale slibují vyšší propustnost a rozlišení, což může potenciálně snížit náklady na tranzistor. Kromě toho snahy v oblasti strojového učení a výpočetní litografie pomáhají maximalizovat výkon každého nástroje (zlepšením věrnosti vzoru a procesních oken).
Propustnost (rychlost skeneru): První EUV nástroje zpracovávaly méně waferů za hodinu než jejich DUV protějšky, částečně kvůli omezenému výkonu zdroje a citlivější optice. Nízká propustnost znamená nižší produktivitu fabriky. Pokrok: Výkon EUV zdrojů se postupně zlepšoval (dnešní zdroje přesahují 250 W, oproti ~125 W u prvních produkčních nástrojů) a nejnovější EUV skenery od ASML mohou exponovat ~160 waferů/hod za optimálních podmínek. Připravované High-NA EUV systémy budou mít přepracovanou optiku s vyšší numerickou aperturou 0,55 vs 0,33, což zlepšuje rozlišení, ale zpočátku snižuje velikost pole. Aby to kompenzovala, ASML tyto nástroje navrhuje tak, aby nakonec dosáhly propustnosti ~185 waferů/hod. Ve skutečnosti ASML právě v roce 2025 dodala svůj první model High-NA EUV (EXE:5200) a uvádí, že přinese 60% nárůst produktivity oproti současným EUV nástrojům – přibližně 175 waferů/hod, což je srovnatelné s DUV skenery ^[71].
Defekty a výtěžnost: Protože EUV používá reflexní masky a pracuje v nanometrových rozměrech, kontrola defektů je obrovským problémem. Drobné defekty nebo částice na masce se mohou přenést na wafer a EUV fotorezisty a proces mohou vykazovat náhodné defekty (stochastické jevy), pokud nejsou optimalizovány. Pokrok: Průmysl vyvinul ochranné pelicle pro masky pro EUV (aby se zabránilo částicím na masce) po mnoha iteracích. Chemie fotorezistů se také vyvíjí – nové materiály rezistů a techniky podvrstvy zlepšily citlivost a drsnost okraje čáry. Výrobci čipů uvádějí, že počáteční problémy s výtěžností u EUV byly z velké části překonány a míra defektů je srovnatelná s předchozími uzly ^[72]. Výzkumníci však stále zdokonalují technologii rezistů a masek (včetně zkoumání rezistů na bázi kovových oxidů a dalších nových přístupů pro EUV).
Spotřeba energie: Jak již bylo zmíněno, EUV skenery jsou energeticky náročné – každý z nich může čerpat řádově megawatt elektřiny mezi laserovým zdrojem, vakuovými čerpadly a chladicími systémy ^[73]. To přispívá k výrazným provozním nákladům a zvyšuje ekologickou stopu továren. Pokrok: Alternativní metody litografie jako Nanoimprint si kladou za cíl výrazně snížit spotřebu energie (Canon uvádí až o 90 % nižší spotřebu) ^[74]. I v rámci samotné EUV se inženýři snaží o efektivnější zdroje (např. vyšší konverzní účinnost přeměny laserové energie na EUV světlo), aby budoucí zařízení produkovala více světla s menším příkonem. I malé zisky v účinnosti zdroje nebo odrazivosti zrcadel mohou přinést významné úspory energie při výrobě tisíců waferů.
Limity optického rozlišení: I EUV při 13,5 nm nakonec narazí na limity škálování. Současné EUV nástroje (0,33 NA) zvládnou pohodlně vzory s roztečí ~30 nm; pro menší rozteče bude potřeba vícenásobné vzorování nebo High-NA EUV pro ~2 nm uzel a méně. Pokrok: High-NA EUV je v podstatě dalším velkým krokem – zvýšením numerické apertury čočky na 0,55 s novým optickým designem (což mimochodem vyžaduje novou 6palcovou masku a zcela novou platformu zařízení) budou tyto systémy schopny rozlišit prvky o ~30–40 % menší ^[75]. ASML uvádí, že High-NA EUV by mohl téměř ztrojnásobit hustotu tranzistorů na čipech díky jemnějším prvkům a těsnějším roztečím ^[76]. První nástroje High-NA EUV by měl Intel začít pilotně používat kolem let 2025–2026, s cílem nasazení do masové výroby kolem roku 2028 ^[77]. Toto rozšíření by mělo umožnit průmyslu zvládnout uzly 2 nm, 1,5 nm a 1 nm (navzdory názvům půjde o rozteče prvků v nízkých desítkách nanometrů). Dále už mohou být potřeba jiné přístupy (například koncepty „Beyond EUV“ na ještě kratších vlnových délkách, nebo revoluční metody vzorování).
Alternativní litografické techniky: Koncentrace klíčových litografických schopností v jedné společnosti (ASML) a jedné technologii (EUV) vyvolala zájem o alternativní nebo pomocné techniky. Pokrok: Kromě Canonova NIL probíhá výzkum Directed Self-Assembly (DSA) – využití speciálních materiálů, které se spontánně uspořádávají do velmi jemných vzorů a mohou doplnit litografii u některých struktur. Dalším přístupem je multiphotonová nebo kvantová litografie, která je zatím převážně akademická. E-beam litografie (přímé psaní elektronovým paprskem) se používá pro výrobu masek a prototypování, ale je příliš pomalá pro masovou výrobu. Přesto firmy zkoumají vícepaprskové e-beam nástroje pro specifické vzory. Tyto alternativy by v případě svého rozvoje mohly jednoho dne snížit zátěž optické litografie nebo snížit náklady u některých vrstev. Prozatím jde o „pěkný bonus“ ve výzkumu, zatímco optická UV litografie zůstává nepostradatelnou stálicí.

Odborné postřehy a výhled do budoucna

Shoda mezi odborníky v oboru je, že ultrafialová litografie zůstane klíčovým prvkem výroby čipů v dohledné budoucnosti, i když bude dále vyvíjena. „Stále vylepšujeme a vyvíjíme… pro nás i naše zákazníky je to strmá učební křivka,“ uvedl mluvčí ASML ohledně zavádění High-NA EUV a zdůraznil, že každý nový skok (jako High-NA) vyžaduje rozsáhlé dolaďování ^[78]. Analytici také upozorňují, že přijetí bude řídit nákladová efektivita: „Zatímco někteří výrobci čipů mohou [High-NA EUV] zavést dříve, aby získali technologické vedení, většina jej nepřijme, dokud to nebude ekonomicky smysluplné,“ poznamenal Jeff Koch ze SemiAnalysis a předpověděl, že většina počká do ~2030, kdy jeho výhoda ospravedlní náklady^[79]. V reakci na to CEO ASML Peter Wennink trvá na tom, že High-NA prokáže svou hodnotu dříve: „Vše, co vidíme u zákazníků, je, že High-NA je pro ně levnější“ při dosažení další úrovně škálování ^[80]. Tento optimistický pohled naznačuje, že s rostoucí složitostí může pokročilejší litografie ve skutečnosti snížit celkové náklady tím, že odstraní další procesní kroky.

Nelze přecenit ústřední roli společnosti ASML – což si vlády dobře uvědomují. Ve světě, kde špičkové čipy přinášejí ekonomické a vojenské výhody, se litografické vybavení stalo strategickým aktivem. Nizozemská vláda (s podporou USA) přísně omezila export pokročilých nástrojů ASML do Číny ^[81], což je krok zaměřený na „zmaření polovodičových ambicí Pekingu“^[82]. To vedlo k rozdělení globálního dodavatelského řetězce čipů: nejpokročilejší logické čipy se v současnosti vyrábějí jen na několika místech (Tchaj-wan, Jižní Korea a brzy v USA prostřednictvím továren TSMC/Intel), všechny s využitím EUV strojů od ASML. Čína intenzivně investuje do dohnání starších technologií a vývoje domácí litografie, ale odborníci odhadují, že dosažení parity může trvat mnoho let, pokud vůbec, vzhledem k vysokým znalostním a patentovým bariérám.

Mezitím roste poptávka po UV litografických nástrojích v souladu s boomem polovodičů. Růst AI a výkonných výpočetních technologií vede přední továrny k rozšiřování kapacit. Objednávky ASML na EUV nástroje dosáhly rekordních hodnot – v jednom nedávném čtvrtletí objednávky vzrostly na 10 miliard dolarů, převážně na budoucí EUV a High-NA systémy ^[83]. Společnost předpovídá, že příjmy související s EUV v roce 2025 vzrostou o ~40–50 % ^[84], což pomůže zvýšit celkové tržby navzdory pomalejší poptávce po pamětech nebo v Číně ^[85]. Jinými slovy, trh se špičkovou litografií je silný a roste, přičemž ASML očekává, že každý rok dodá desítky dalších EUV jednotek. Do roku 2030 se pravděpodobně rozšíří High-NA EUV a začne se diskutovat o tom, co přijde po éře EUV.

Co může přijít dál? Někteří výzkumníci hovoří o „Beyond EUV“ – možná použití ještě kratších vlnových délek v oblasti měkkého rentgenového záření (~6–8 nm) nebo elektronové/iontové projekční litografie – ale každá z těchto cest čelí náročným fyzikálním výzvám. Prozatím je strategií průmyslu vytěžit z EUV maximum: nejprve zavedením High-NA EUV pro další 1–2 generace zmenšování a kombinací EUV s chytrou integrací procesů (jako jsou čipletové architektury a 3D stohování, které zmírňují potřebu monolitických 2D zmenšení). Litografie zůstane směsí technik: DUV nezmizí (bude se používat společně s EUV) a nové metody jako nanoimprint mohou najít své místo jako doplněk hlavních procesů, pokud se osvědčí. Jakýkoli radikální odklon od optické litografie by však pravděpodobně vyžadoval i změnu paradigmatu v návrhu čipů – což zatím na obzoru pro velkoobjemovou výrobu není.

Slovy předsedy TSMC Marka Liua pracoval polovodičový průmysl „v tunelu“ s jasným cílem po celá desetiletí: zmenšovat, zmenšovat, zmenšovat ^[86]. Ultrafialová litografie byla světlem, které tento tunel vedlo. Začalo to rtuťovými lampami a primitivním UV, pokračovalo přes excimerové deep-UV lasery, které nás provázely více než 20 let ^[87], a nyní jsme dospěli do éry extrémního UV, která tunel dále prodlužuje. Cesta to nebyla vůbec snadná – byla poznamenána okamžiky triumfu i častými pochybnostmi – přesto je výsledek ohromující: miliardy struktur širokých jen desítky atomů, bezchybně vzorovaných na velkých waferech, umožňující výpočetní výkony, které se ještě před generací zdály nemožné.

Když se díváme vpřed, vývoj mikroprocesorů je s litografií propojen více než kdy dříve. Výkon a schopnosti příštích CPU, GPU a AI akcelerátorů budou do značné míry určeny tím, jak jemně a spolehlivě dokážeme jejich prvky vytisknout. Ultrafialová litografie je hlavní nástroj, který to umožňuje. Odborníci z oboru jsou optimističtí, že s pokračujícími inovacemi – od High-NA optiky po chytřejší software a možná i nějaké nekonvenční nápady jako NIL nebo DSA – bude litografie dál přinášet výsledky. Generální ředitel ASML dokonce naznačuje, že plán pro EUV a jeho rozšíření je pevný na příští dekádu, což dává výrobcům čipů jasný prostor pro další zlepšování. Globální tržní trendy ukazují zdravý růst a intenzivní konkurenci, ale také sbližování kolem několika klíčových technologií a dodavatelů.

Stručně řečeno, svět ultrafialové litografie je spojením špičkové fyziky a inženýrství s vysoce konkurenční ekonomikou a strategií. Možná funguje v neviditelné oblasti UV světla, ale její dopad je zřetelně viditelný v podobě stále výkonnějších mikroprocesorů rok co rok. Až příště uslyšíte o novém průlomu v „nanometrových“ čipech, vzpomeňte si na ultrafialovou revoluci, která pracuje v pozadí. Od deep UV přes extreme UV až po další hranice – tyto technologie skutečně formují budoucnost mikroprocesorů – vyrývají další řádky do příběhu lidského technologického pokroku, jeden záblesk fotonu za druhým.

Zdroje

C. Thompson, „Uvnitř stroje, který zachránil Moorův zákon,“ MIT Technology Review, 27. října 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, „Fotolitografie – Nejmodernější nástroje v současnosti používají 193nm hluboké UV excimerové lasery“ ^[90]
M. Chaban, „Osvětlení cesty: Jak ASML oživil Moorův zákon,“ Google Cloud Blog, 28. března 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), „Zkoumání budoucnosti EUV litografie a dále,“ 4. listopadu 2024 ^[93]
T. Sterling, „Intel objednává systém ASML za více než 340 milionů dolarů v honbě za výhodou ve výrobě čipů,“ Reuters, 19. ledna 2022 ^[94]
T. Sterling, „Další čipová výzva ASML: zavedení nového stroje ‚High NA EUV‘ za 350 milionů dolarů,“ Reuters, 9. února 2024 ^[95]
TrendForce News, „ASML potvrzuje první dodávku High-NA EUV EXE:5200…“, 17. července 2025 ^[96]
T. Sterling, „Nizozemská vláda vylučuje většinu prodejů ASML do Číny z exportních dat,“ Reuters, 17. ledna 2025 ^[97]

Tom’s Hardware

^[98]

Samsung Newsroom, „Samsung Electronics zahajuje sériovou výrobu na nové EUV lince,“ únor 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), „7nm FinFET Plus (N7+) technologie – První použití EUV (2019)“ ^[100]
S&P Global Market Intelligence, „ASML připravena na oživení poháněné AI, protože poptávka po EUV a High-NA prudce roste,“ září 2023 ^[101]

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

Watch this video on YouTube.

References