Den ultraviolette revolution: Inden i de usynlige $150 mio. maskiner, der former fremtidens mikrochips

Ultraviolette litografimaskiner koster over 150 millioner dollars stykket og er på størrelse med en bus.
Brancheobservatører kalder den nyeste generation af disse værktøjer for “maskinerne, der reddede Moore’s lov”, fordi de muliggør moderne avancerede processorer.
ASML er den eneste leverandør af EUV-litografisystemer, hvor EUV-værktøjer koster omkring 150–180 millioner dollars stykket.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) tog først EUV i brug i stor skala på deres 7nm+ (N7+) proces i 2019.
Ekstrem ultraviolette litografi bruger 13,5 nm lys, der produceres ved at skyde en kraftig laser mod tindråber for at skabe plasma, som udsender EUV-stråling, med et strømforbrug på over 1 megawatt.
ASML leverede det første High-NA EUV-værktøj, EXE:5200, i 2025, som øger den numeriske apertur til 0,55 og sigter mod omkring 175 wafere i timen.
De første kommercielle EUV-chips blev lanceret i 2019, med TSMC’s 7nm+ (N7+) proces og Samsungs 7LPP, der brugte EUV.
Eksportkontrol forhindrer ASML i at sælge EUV til Kina, mens ASML’s salg til Kina i 2024 var omkring 7 milliarder dollars, primært fra DUV-værktøjer.
Nikon og Canon trak sig fra EUV-udvikling; Nikon leverer fortsat 193 nm immersionsscannere, mens Canon fokuserer på nanoimprint-litografi (NIL) med prøveforsendelser i 2024.
Samsungs 14 nm-klasse DRAM bruger EUV på flere lag, og Micron planlægger EUV til deres næste DRAM-node.

Alle moderne mikroprocessorer – fra chippen i din smartphone til CPU’erne, der driver cloud-AI – bliver født under ultraviolette lys. Faktisk bruger nogle af de mest avancerede produktionsmaskiner på Jorden usynlige ultraviolette lasere på siliciumwafere for at ætse de nanoskala-kredsløb, der får mikrochips til at fungere. Disse maskiner koster over 150 millioner dollars stykket, er på størrelse med en bus, og arbejder med næsten science fiction-agtig kompleksitet – men de er de usungne arbejdsheste bag Moore’s lov og den konstante udvikling mod hurtigere, mindre og mere effektive processorer ^[1], ^[2]. Brancheobservatører har endda givet den nyeste generation af disse værktøjer tilnavnet “maskinerne, der reddede Moore’s lov,” fordi det uden dem ville være praktisk talt umuligt at fremstille avancerede chips ^[3]. Denne rapport dykker ned i verdenen af ultraviolette litografi – både i dens traditionelle dyb ultraviolette (DUV) og banebrydende ekstrem ultraviolette (EUV) former – og forklarer, hvordan det fungerer, hvorfor det er så afgørende for mikroprocessorudvikling, og hvor det er på vej hen.

Ultraviolette litografi lyder måske som esoterisk ingeniørarbejde, men dens indvirkning er meget reel og synlig i vores dagligdag. Ved at printe stadig finere mønstre af transistorer på silicium muliggør UV-litografi direkte teknologiindustriens bemærkelsesværdige forbedringstempo. Som en teknologianalytiker bramfrit udtrykte det, “Moore’s lov er grundlæggende ved at falde fra hinanden, og uden denne maskine er det slut. Du kan reelt ikke lave nogen førende processorer uden EUV.”^[4] Med andre ord afhænger fremtiden for mikrochips – og alle de gadgets og innovationer, de driver – nu af at udnytte lys ved bittesmå bølgelængder. Nedenfor gennemgår vi, hvordan denne lysbaserede printning fungerer, hvordan den har udviklet sig til den nyeste EUV-teknologi, hvem de største aktører er (fra den hollandske værktøjsproducent ASML til chipgiganter som TSMC, Samsung og Intel), de seneste gennembrud (som næste generations EUV-maskiner og alternative teknikker), og hvad brancheeksperter siger om vejen frem.

Hvad er ultraviolette litografi?

I sin kerne er litografi i chipfremstilling beslægtet med fotografering på silicium. En siliciumskive bliver belagt med et lysfølsomt materiale (photoresist), og en maskine bruger fokuseret lys til at projicere indviklede kredsløbsmønstre på denne skive gennem en stencil-lignende maske. Mønstrene svarer til de små transistorer og ledninger, der udgør en mikroprocessor. Hvor end lyset rammer, ændrer det kemisk resist’en, så disse områder kan ætse eller bearbejdes, mens dækkede områder forbliver beskyttede. Ved at gentage denne proces lag for lag med ekstrem præcision opbygger chipproducenter den komplekse arkitektur i et moderne integreret kredsløb.

Nøglen til opløsning i denne “printningsproces” er lysets bølgelængde. Ligesom en finere pensel lader en kunstner male mindre detaljer, gør en kortere lysbølgelængde det muligt for chipproducenter at ætse finere strukturer. I årtier har halvlederindustrien støt bevæget sig mod kortere bølgelængder på det elektromagnetiske spektrum for at kunne printe stadig mindre transistorer ^[5]. Tidlige chips i 1960’erne brugte synligt og langbølget UV-lys (g-linje ved 436 nm, i-linje ved 365 nm), men i 1990’erne rykkede den nyeste teknologi ind i det dybe ultraviolette område med kraftige excimerlasere ved 248 nm (KrF) og senere 193 nm (ArF)^[6]. Lys ved 193 nm – omkring 1/5 af bølgelængden for synligt lys – blev arbejdshesten til fremstilling af chips gennem 2000’erne og 2010’erne. Denne dybe UV (DUV) litografi muliggjorde minimumsstrukturer på omkring ~50 nm og derunder, især efter introduktionen af tricks som immersionslinser og flere eksponeringer ^[7]. Faktisk var “excimerlaserlitografi” ved 248 nm og 193 nm så succesfuld, at det drev Moore’s lov i omkring to årtier, hvilket gjorde det muligt for transistorstørrelser at blive ved med at skrumpe og chipdensiteter at fordobles efter planen ^[8].

Men i slutningen af 1990’erne og begyndelsen af 2000’erne vidste ingeniørerne, at de nærmede sig en bølgelængde-barriere med 193 nm lys ^[9]. For at kunne mønstre funktioner meget mindre end ~40–50 nm, måtte 193 nm litografi ty til stadig mere indviklede metoder: eksotiske optiske tricks, multiple-patterning-trin (at eksponere det samme lag flere gange med forskudte masker for at opnå finere effektiv afstand), og andre smarte løsninger ^[10], ^[11]. Disse teknikker forlængede DUV-værktøjernes levetid (faktisk strakte chipproducenter 193 nm helt ned til noder markedsført som 10 nm eller endda 7 nm ved at bruge dobbelt, tredobbelt eller firedobbelt mønstring), men på bekostning af enorm kompleksitet, lavere udbytte og eksploderende produktionsomkostninger. I midten af 2010’erne stod det klart, at traditionel DUV var presset til det yderste – industrien havde brug for et spring til en kortere bølgelængde af lys for at holde Moores lov på sporet ^[12].

Deep Ultraviolet (DUV) Litografi: Arbejdshesten

Deep UV litografi (ved brug af ~248 nm og 193 nm lasere) har været arbejdshesteteknologien for chipfremstilling i mange generationer. DUV-værktøjer er i bund og grund ekstremt præcise projicerede billedsystemer: de sender en UV-laser gennem en mønstret fotomaske og en række reduktionslinser for at kaste et minimeret billede på siliciumwaferen. Moderne 193 nm-systemer fylder endda mellemrummet mellem linsen og waferen med ultrarent vand (immersion litografi) for effektivt at øge linsens numeriske åbning og opløse mindre strukturer ^[13]. Ved at bruge disse metoder blev 193 nm immersion litografi i stand til at printe strukturer langt under sin nominelle bølgelængde – men kun ved at anvende opløsningsforbedrende teknikker og gentagne eksponeringer. For eksempel, før EUV kom, blev førende 7 nm node-chips realiseret med DUV ved at bruge fire separate maskeringstrin for et enkelt lag (firedobbelt mønstring) – en forbløffende kompleks øvelse i præcisionsjustering.

DUV-litografi er meget moden og pålidelig. DUV-værktøjer fra virksomheder som ASML, Nikon og Canon håndterer stadig størstedelen af lagene i chipfremstilling i dag (selv i avancerede fabrikker bruger kun de mest kritiske lag EUV, mens mindre kritiske lag fortsat bruger flere DUV-eksponeringer). Disse maskiner er også væsentligt billigere end de nyeste EUV-værktøjer – en topmoderne immersion DUV-scanner kan koste omkring $50–$100 millioner, mens et EUV-værktøj koster $150+ millioner ^[14]. Som følge heraf forbliver DUV-værktøjer uundværlige ikke kun for ældre generationers chips (hvor strukturstørrelserne er større og lettere at fremstille), men også som supplement til EUV i avancerede processer. Faktisk udgør DUV-salg stadig størstedelen af de litografiske udstyrsenheder, der sendes hvert år ^[15]. Chipproducenter har en enorm installeret base af DUV-scannere og omfattende knowhow i brugen af dem.

Dog, på trods af fortsatte forbedringer, ramte 193 nm DUV en grundlæggende grænse for, hvor meget mindre den kunne gå uden uoverkommelige anstrengelser. Den praktiske opløsning i optisk litografi følger nogenlunde Rayleigh-kriteriet: mindste strukturstørrelse ≈ k₁ · (λ/NA), hvor λ er bølgelængden og NA er linsens blænde. Med λ fastsat til 193 nm og NA maksimeret omkring 1,35 (immersion), pressede chipproducenter k₁ til dets teoretiske grænser ved hjælp af beregningsmæssige tricks – men for at fortsætte med at mindske strukturstørrelsen, måtte λ selv mindskes. Omkring 2019 havde førende foundries som TSMC og Samsung kommercielt introduceret en ny litografisk lyskilde ved 13,5 nm bølgelængde – næsten 15× kortere end DUV’s 193 nm ^[16]. Dette indledte æraen for ekstrem ultraviolet litografi.

Overgangen til ekstrem ultraviolet (EUV) litografi

Ekstrem Ultraviolet litografi (EUV) bruger dramatisk kortere bølgelængde lys – 13,5 nm, på grænsen mellem UV og røntgenstråler – til at eksponere chips. Ved at skifte til denne meget finere “pensel” kan EUV printe meget mindre transistorer og detaljer med en enkelt eksponering, hvilket undgår mange af de indviklede multi-mønstrings-trin, som DUV kræver ved avancerede noder ^[17]. I praksis har EUV-litografi muliggjort masseproduktion af chips ved 7 nm, 5 nm og 3 nm teknologigenerationerne, med langt færre procestrin og bedre udbytte end en ren DUV-tilgang. For eksempel brugte Taiwans TSMC EUV på nogle få kritiske lag startende med deres 7 nm+ (N7+) proces i 2019 – den første kommercielle proces til at bruge EUV ^[18] – og derefter i stor udstrækning til deres 5 nm noder, der driver processorer som Apples A15 og A16 Bionic smartphone-chips ^[19]. Samsung begyndte ligeledes masseproduktion med EUV i begyndelsen af 2019 på deres 7LPP-proces og har siden brugt EUV til 5 nm og endda i fremstilling af hukommelseschips^[20], ^[21]. Disse tiltag var afgørende: ved at bruge 13,5 nm lys kunne chipproducenter printe detaljer med single-pattern-eksponeringer, som tidligere krævede flere DUV-gennemløb, hvilket forenklede produktionen og muliggjorde tættere transistorpakning end nogensinde før^[22].

Dog EUV-litografi var ikke en let revolution. Det tog over to årtiers forskning og ~$9–10 milliarder i F&U-udgifter at gøre EUV levedygtig til produktion i stor skala ^[23]^[24]. Udfordringerne var enorme, fordi 13,5 nm lys opfører sig meget anderledes end 193 nm lys. For det første er intet materiale gennemsigtigt ved 13,5 nm – man kan ikke bruge refraktive linser eller konventionelle glasmasker. I stedet bruger EUV-systemer et optisk system udelukkende med spejle: en række fint udformede multilags-spejle med særlige belægninger, der reflekterer 13,5 nm lys (hvert spejl reflekterer kun en del af lyset, så med flere spejle falder intensiteten dramatisk) ^[25]. Fotomasken er også et reflekterende spejlsubstrat i stedet for en gennemsigtig glasplade. Alt dette skal fungere i vakuum (luft ville absorbere EUV). Kort sagt er EUV-scannere et komplet redesign af det optiske system sammenlignet med DUV-værktøjer og involverer eksotisk optik og ekstrem præcision.

Så er der lyskilden: hvordan genererer man overhovedet højintensitets 13,5 nm ultraviolet lys? Svaret lyder som science fiction: EUV-værktøjer skaber lys ved at skyde en pulserende høj-effekt laser mod små dråber af smeltet tin, 50.000 gange i sekundet ^[26], ^[27]. Hvert laser-puls fordamper en tindråbe til et ekstremt varmt plasma, der udsender EUV-stråling – i bund og grund en miniature stjerne-lignende eksplosion, der sker inde i maskinen. Disse plasma-glimt producerer det ønskede 13,5 nm lys sammen med en masse anden uønsket stråling og affald, så systemet skal filtrere og opsamle den rigtige bølgelængde og afskærme alt andet. EUV-lyset bliver derefter fokuseret af spejloptikken og rettet mod wafere i mønstre. Det er en enormt ineffektiv proces, når det gælder lysgenerering (meget af energien går tabt som varme), hvilket er grunden til, at laseren, der driver kilden, skal være utroligt kraftig. En EUV-scanners lyskilde kan forbruge i størrelsesordenen >1 megawatt strøm for at levere nok EUV-fotonflux til produktion i stor skala ^[28]. Til sammenligning bruger en 193 nm excimer-laser kun en brøkdel af den effekt. Det forklarer, hvorfor EUV-værktøjer har massive krav til strøm og køling, og hvorfor alternative teknikker som nanoimprint litografi (som slet ikke bruger lasere) fremhæver energibesparelser på ~90% ^[29].

Kompleksiteten stopper ikke der. Fordi EUV-fotoner er så energirige, kan de fremkalde subtile stokastiske effekter i fotoresisten (tilfældige variationer, der kan forårsage defekter, hvis de ikke afbødes), og EUV-masker kan ikke let beskyttes af de sædvanlige pellicles (udviklingen af specielle EUV-pellicles var endnu en flerårig indsats). Hver eneste del af systemet – fra vakuumstadierne, til wafer-positioneringssystemer med seks frihedsgrader, der bevæger sig med meter pr. sekund, til inspektion af defekter på de multilags-spejle – pressede ingeniørkunstens grænser. “Det er en meget vanskelig teknologi – hvad angår kompleksitet er det nok i Manhattan Project-kategorien,” bemærkede Intels direktør for litografi, for at illustrere hvor udfordrende EUV var at udvikle ^[30].

For mange år tvivlede mange eksperter på, at EUV nogensinde ville komme til at virke i tide. De store aktører Nikon og Canon opgav EUV-forskning efter at have stødt på for mange forhindringer, hvilket efterlod ASML (Holland) som det eneste firma, der drev teknologien fremad^[31]^[32]. ASML’s satsning gav til sidst pote – men ikke uden hjælp. I 2012, da de indså den strategiske betydning af EUV, investerede de store chipproducenter Intel, TSMC og Samsung tilsammen omkring 4 milliarder dollars i ASML for at fremskynde EUV-udviklingen ^[33]. I 2017 præsenterede ASML endelig en produktionsklar EUV-scanner (model NXE:3400B), og i 2019 begyndte de første kommercielle chips fremstillet med EUV at rulle ud ^[34]^[35]. Brancheobservatører kaldte det et vendepunkt – den længe ventede EUV-revolution var ankommet lige i tide til at forlænge halvlederens udviklingsvej. Som MIT Technology Review bemærkede, er ASML’s EUV-værktøj “en eftertragtet enhed… brugt til at lave mikrochip-funktioner så små som 13 nanometer… fyldt med 100.000 små mekanismer… det kræver fire 747’ere at sende én til en kunde” ^[36]. Kort sagt er EUV-scannere moderne ingeniørkunstværker, der bringer ultraviolet lys i spil på en skala og kompleksitet, der aldrig er set før.

Hvorfor UV-litografi er vigtigt for mikroprocessorer

Belønningen for al denne kompleksitet er ligetil: mindre transistorer og højere chip-ydeevne. Ved at printe finere strukturer kan chipproducenter presse flere transistorer ind på samme areal (hvilket typisk betyder mere regnekraft eller lavere omkostning pr. chip) og reducere de elektriske kapacitanser og afstande, som signalerne skal krydse (hvilket betyder hurtigere omskiftningshastigheder og lavere strømforbrug). Dette er essensen af Moore’s Lov – at formindske transistor-dimensionerne for at pakke flere ind i hver chip-generation – og litografi er den grundlæggende muliggører af denne fremgang ^[37], ^[38]. Når du hører om en ny smartphone-chip lavet på en “3 nm-proces” eller en server-CPU på “5 nm EUV-teknologi”, afspejler disse tal i høj grad de avancerede litografis evne til at definere ekstremt små strukturer (selvom node-navnene er delvist markedsføring, korrelerer de med densitetsforbedringer, som EUV har gjort mulige).

Ultraviolets litografis betydning illustreres måske bedst ved at overveje, hvad der ville ske uden disse fremskridt. Hvis industrien havde holdt sig til kun 193 nm DUV, kunne chipproducenter måske stadig have fundet måder at lave meget kraftfulde chips på – men de ville have brug for så mange gentagne procestrin (og kompleksitet, der dræber udbyttet), at omkostningerne ville eksplodere og fremgangen ville gå dramatisk langsommere. Faktisk forudsagde nogle omkring midten af 2010’erne Moore’s Lovs snarlige endeligt, fordi optisk litografi ramte muren. EUV kom lige i tide og gav en ny livline. Ved at genindføre et enklere mønster med enkelt-eksponering i frontlinjen, har EUV forlænget skaleringskøreplanen i mindst et par generationer mere. En række af nutidens mest avancerede chips skylder deres eksistens til EUV. For eksempel bliver Apples nyeste A-serie smartphone-processorer og M-serie Mac-chips fremstillet af TSMC ved hjælp af 5 nm EUV-processer, hvilket muliggør transistorantal på titals milliarder og store spring i hastighed og effektivitet i forhold til tidligere generationer ^[39]. AMD’s Ryzen CPU’er og GPU’er, hvoraf mange laves på TSMC 7 nm eller 5 nm EUV-noder, nyder ligeledes godt af den øgede densitet og strømbesparelse. Selv avancerede AI-acceleratorer og datacenter-processorer – den slags, der driver store AI-modeller – er afhængige af EUV-baserede 5 nm/4 nm-processer for at pakke matrix-matematikmotorer tæt og styre strømforbruget.

Det er ikke kun logikchips. Hukommelseschips høster også fordele af fremskridt inden for UV-litografi. Producenter af højtydende DRAM er begyndt at bruge EUV til visse kritiske lag i deres nyeste generationer (f.eks. bruger Samsungs 14 nm-klasse DRAM EUV på flere lag) for at øge bit-tætheden og forbedre udbyttet ^[40]. Micron introducerer også EUV i deres næste DRAM-node. Flere EUV-lag i hukommelse betyder flere gigabit lagerplads pr. chip og lavere pris pr. bit, hvilket i sidste ende betyder mere hukommelse i dine enheder til samme pris. Faktisk har ASML’s CEO Peter Wennink påpeget, at den stigende efterspørgsel efter AI og data får hukommelsesproducenter til hurtigt at tage EUV i brug – “DRAM-producenter bruger flere EUV-lag på nuværende og fremtidige noder”, bemærkede han, hvilket øger efterspørgslen på disse værktøjer i hele branchen ^[41].

Kort sagt, UV-litografi påvirker direkte mikroprocessorers kapabilitet. Evnen til at fremstille mindre transistorer gør det ikke kun muligt at få plads til flere kerner eller mere cache på en chip, men kan også reducere den strøm, der kræves for hver transistoromskiftning. Det er derfor, hver ny procesgeneration ofte medfører en 15–30% ydelsesforbedring og 20–50% strømbesparelse ved samme design, eller alternativt muliggør fordobling eller mere af transistortætheden. For eksempel gav TSMC’s overgang fra en 7 nm (hovedsageligt DUV) proces til 5 nm (EUV) omkring 1,8× forøgelse i logiktæthed og ~15% hastighedsforøgelse ved iso-strøm ^[42]. Disse forbedringer omsættes til hurtigere smartphones, mere effektive datacentre og gennembrud inden for højtydende computeropgaver. Ultraviolet litografi er den usynlige hånd, der udskærer disse forbedringer i siliciumet. Som en forskningsdirektør i branchen udtrykte det: “Uden EUV kan du reelt ikke lave nogen førende processorer”^[43] – så afgørende er det for at holde sig på udviklingskurven.

Nuværende state-of-the-art og hovedaktører

Fra 2025 ligger ultraviolet litografi i hjertet af alle avancerede chipfabrikker, og det domineres af nogle få nøgleaktører og teknologier. Her er et kig på det nuværende landskab og de vigtigste kræfter bag:

TSMC (Taiwan) – Foundry-pioner inden for EUV. TSMC er verdens største kontraktchipproducent og var den første til at implementere EUV i volumenproduktion (dens 7nm+ “N7+”-node i 2019 var branchens første EUV-proces) ^[44]. Siden da har TSMC udnyttet EUV i stor stil til sin 5 nm-generation (2019–2020) og 4 nm/3 nm-noder, hvor de producerer chips for Apple, AMD, Nvidia og mange andre med verdensklasse-udbytte. Ved at bruge EUV på en række kritiske lag opnåede TSMC de densitetsforøgelser, der definerer disse noder. TSMC’s førerposition i at mestre EUV tidligt er en stor grund til, at de har overhalet Intel i procesteknologi de seneste år. Fremadrettet planlægger TSMC at fortsætte med at bruge nuværende EUV (0,33 NA) gennem deres 3 nm og endda 2 nm-noder, og de evaluerer næste generations EUV til tiden derefter ^[45]. (Interessant nok har TSMC indikeret, at de måske ikke vil skynde sig at tage de første High-NA EUV-værktøjer i brug til deres 2 nm-æra processer omkring 2027–2028, men foretrækker at vente, til økonomien giver mening ^[46].)
Samsung (Sydkorea) – Adoptør af hukommelse og logik. Samsung var hurtig til at tage EUV i brug til logik og annoncerede 7 nm EUV-produktion allerede i 2019 (deres Exynos-mobilprocessorer og nogle Qualcomm Snapdragon-chips brugte disse). Samsung var også pioner i brugen af EUV i hukommelse og blev den første til at bruge EUV i DRAM-fremstilling (til deres 1z-nm DRAM-node) og i V-NAND-lagring ^[47]. Samsungs EUV-kompatible fabrikslinje i Hwaseong har været et udstillingsvindue, og virksomheden fortsætter med at investere i EUV til både foundry- og hukommelsesforretningen. Ligesom TSMC er Samsung kunde hos ASML’s kommende High-NA EUV, selvom rapporter antyder, at Samsung endnu ikke har besluttet, hvornår de vil introducere disse værktøjer i produktionen ^[48]. I mellemtiden benytter Samsungs nuværende flagskibsprocesser (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around-transistorer) alle EUV for at reducere maskeringsskridt. Samsung producerer også stadig mange chips med DUV og ældre værktøjer, men for den førende teknologi satser de fuldt ud på EUV.
Intel (USA) – Kapløb for at genvinde førerpositionen. Intel, som længe har været førende inden for litografi, oplevede forsinkelser ved deres 10 nm node (som brugte avanceret DUV multi-patterning) og kom derfor bagefter med EUV-implementeringen. Men siden da har de investeret massivt for at indhente det forsømte. Intels nyeste procesgenerationer (branded “Intel 4”, “Intel 3”, nogenlunde svarende til ~7 nm og ~5 nm klassen) bruger EUV-litografi til flere lag – Intel 4 anvender for eksempel EUV i produktionen af virksomhedens kommende Meteor Lake CPU’er ^[49]. Intel var også en tidlig investor i ASML og har sikret sig førsteret til ASML’s High-NA EUV-maskiner: de modtog verdens første High-NA EUV-værktøj (EXE:5000-serien) i 2023 til F&U og forventes at få det første produktionsklare High-NA-værktøj (EXE:5200) i 2024–2025 ^[50], ^[51]. Intel planlægger at bruge disse High-NA EUV-scannere til deres 1,8 nm og 14Å-generation noder (~2027 tidsramme) som en del af deres ambitiøse køreplan for at genvinde proceslederskabet ^[52], ^[53]. Med ny CEO-ledelse reklamerer Intel åbent for deres satsning på EUV og endda foundrytjenester ved at bruge EUV til at fremstille chips for andre virksomheder i den nærmeste fremtid.
Nikon og Canon (Japan) – Veteraner inden for DUV, udforsker alternativer. Nikon og Canon var engang dominerende leverandører af litografiudstyr (især i 1990’erne, hvor Nikon førte an med avancerede steppere). De fortsætter med at producere DUV-litografiværktøjer – faktisk leverede Nikon i mange år maskiner til Intel og hukommelsesproducenter. Men ingen af virksomhederne leverede en EUV-løsning: begge trak sig fra EUV-udvikling efter forskning i begyndelsen af 2000’erne og overlod markedet til ASML ^[54]. I dag sælger Nikon stadig 193 nm immersionsscannere til produktion i stor skala (især brugt i ikke-førende fabrikker eller som supplerende værktøjer), mens Canon har fokuseret på specialiserede nicher som nanoimprint-litografi (NIL). Canons nye NIL-maskiner forsøger at “præge” chipmønstre mekanisk og hævder en ti gange lavere omkostning og 90% mindre strømforbrug end EUV-værktøjer^[55]^[56]. Canon begyndte at levere sine første NIL-værktøjer til afprøvning i 2024 ^[57]. Nogle ser NIL som en potentiel disruptiv teknologi til visse anvendelser (det kunne bruges sammen med konventionel litografi til enklere lag eller hukommelsesenheder), men det er endnu ikke bevist til produktion af højvolumen og højeste densitets logik ^[58]. For nu forbliver Nikon og Canon betydningsfulde inden for DUV-området (og til ældre noder), men ASML har et effektivt monopol på den avancerede litografi, der er nødvendig til avancerede mikroprocessorer.
Kinas ambitioner – At indhente under restriktioner. Kina, som huser store chipfabrikker som SMIC, har i øjeblikket ikke adgang til EUV-teknologi – ASML har aldrig fået lov til at sælge EUV-scannere til Kina på grund af eksportrestriktioner ledet af USA cnfocus.com. Selv salget af ASML’s nyeste DUV-immersion-værktøjer til Kina er nu underlagt hollandsk regeringslicens fra 2023 ^[59]. Dette har sat gang i kinesiske bestræbelser på at udvikle indenlandsk litografi. Det førende kinesiske litografiudstyrsfirma, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), har angiveligt bygget maskiner, der kan klare 90 nm og 28 nm DUV-litografi, men intet i nærheden af EUV endnu (EUV involverer et enormt økosystem af patenter og vanskelige fysiske problemer). Som følge heraf har kinesiske fabrikker som SMIC formået at producere en 7 nm-lignende chip ved hjælp af ældre DUV-multipel mønstring, men de er stadig et par generationer bagud i forhold til den førende teknologi, der kræver EUV. Globale markedstendenser er derfor dybt sammenflettet med geopolitik: litografiværktøjer er blevet et strategisk aktiv. I 2024 var ASML’s salg til Kina (for det meste DUV-værktøjer) omkring 7 milliarder dollars ^[60], men fremtidig vækst er usikker på grund af strammere eksportkontrol. Imens boomer efterspørgslen andre steder, så ASML forventer, at deres EUV-forretning vil stige med ~30% i 2025 trods potentielle modvinde fra Kina ^[61], ^[62].

Udfordringer og nylige fremskridt

Selvom ultraviolet litografi har muliggjort bemærkelsesværdige fremskridt, står det også over for betydelige udfordringer, der driver den løbende innovation. Her er nogle centrale smertepunkter og de seneste fremskridt, der adresserer dem:

Værktøjsomkostninger & kompleksitet: Prisskiltet på EUV-scannere (~150 millioner dollars eller mere pr. stk.) og deres enorme kompleksitet hæver adgangsbarrieren for chipproducenter ^[63]. Kun få virksomheder har råd til store flåder af disse værktøjer. For at retfærdiggøre omkostningen skal fabrikkerne have høj udnyttelse og højt udbytte. Fremskridt: Næste generation af High-NA EUV-værktøjer er endnu dyrere (>300 millioner dollars pr. stk.) ^[64], men lover større kapacitet og opløsning, hvilket potentielt kan sænke omkostningen pr. transistor. Derudover hjælper indsatsen inden for maskinlæring og computational lithography med at maksimere ydeevnen for hvert værktøj (ved at forbedre mønsterpræcision og procesvinduer).
Gennemløb (scannerhastighed): Tidlige EUV-værktøjer behandlede færre wafere pr. time end deres DUV-modstykker, delvist på grund af begrænset kildeeffekt og mere sarte optikker. Lav gennemløb betyder lavere produktivitet i fabrikken. Fremskridt: EUV-kildeeffekten er støt forbedret (dagens kilder overstiger 250 W, mod ~125 W i de første produktionsværktøjer), og ASML’s nyeste EUV-scannere kan eksponere ~160 wafere/time under optimale forhold. De kommende High-NA EUV-systemer vil have redesignet optik med højere numerisk apertur 0,55 vs 0,33, hvilket forbedrer opløsningen, men i starten reducerer feltstørrelsen. For at kompensere arbejder ASML på at få disse værktøjer til til sidst at nå ~185 wafere/time i gennemløb. Faktisk har ASML netop leveret sin første High-NA EUV-model (EXE:5200) i 2025 og siger, at den vil give en produktivitetsforøgelse på 60% i forhold til nuværende EUV-værktøjer – cirka 175 wafere/time, hvilket er på niveau med DUV-scannere ^[65].
Defekter & udbytte: Fordi EUV bruger reflekterende masker og arbejder i nanoskala-dimensioner, er defektkontrol en stor bekymring. Små maskedefekter eller partikler kan blive printet på wafere, og EUV-fotoresist og processen kan udvise tilfældige defekter (stokastiske problemer), hvis de ikke er optimeret. Fremskridt: Branchen har udviklet beskyttende maske-pellicles til EUV (for at holde partikler væk fra masken) efter mange iterationer. Fotoresist-kemi udvikler sig også – nye resistmaterialer og underlagsteknikker har forbedret følsomhed og linjekanteruhed. Chipproducenter rapporterer, at de indledende udbytteproblemer med EUV stort set er blevet overvundet, og defektraterne er sammenlignelige med tidligere noder ^[66]. Forskere fortsætter dog med at forfine resist- og masketeknologi (herunder at udforske metaloxid-resists og andre nye tilgange til EUV).
Strømforbrug: Som nævnt er EUV-scannere strømslugende – hver enkelt kan trække omkring en megawatt elektricitet mellem lasersource, vakuumpumper og kølesystemer ^[67]. Dette bidrager til de betydelige driftsomkostninger og øger fabrikkernes miljøaftryk. Fremskridt: Alternative litografimetoder som Nanoimprint sigter mod at reducere strømforbruget drastisk (Canon hævder 90% mindre energiforbrug) ^[68]. Inden for EUV arbejder ingeniører på mere effektive kilder (f.eks. højere konverteringseffektivitet fra laserenergi til EUV-lys), så fremtidige værktøjer producerer mere lys med mindre inputstrøm. Selv små forbedringer i kildeeffektivitet eller spejlreflektivitet kan give betydelige strømbesparelser over tusindvis af wafere.
Grænser for optisk opløsning: Selv EUV ved 13,5 nm vil til sidst ramme skaleringsgrænser. De nuværende EUV-værktøjer (0,33 NA) kan komfortabelt lave ~30 nm pitch-mønstre; derudover vil multipel mønstring eller High-NA EUV være nødvendig for ~2 nm node og derunder. Fremskridt: High-NA EUV er i det væsentlige det næste store skridt – ved at øge linsens NA til 0,55 med et nyt optisk design (som bemærkelsesværdigt kræver en ny 6-tommer maske-størrelse og helt ny værktøjsplatform), vil disse systemer kunne opløse strukturer, der er ~30–40% mindre ^[69]. ASML siger, at High-NA EUV næsten kan tredoble transistor-tætheden på chips ved at muliggøre finere strukturer og tættere pitch ^[70]. De første High-NA EUV-værktøjer forventes til pilotbrug hos Intel omkring 2025–2026, med sigte på højvolumen-brug omkring ~2028 ^[71]. Denne udvidelse bør tage industrien gennem 2 nm, 1,5 nm og 1 nm noderne (på trods af navngivningen vil disse involvere struktur-pitch i de lave tiere af nanometer). Herefter kan andre tilgange blive nødvendige (som “Beyond EUV”-koncepter ved endnu kortere bølgelængder, eller revolutionerende mønstringsmetoder).
Alternative litografiteknikker: Koncentrationen af kritisk litografikapacitet hos ét firma (ASML) og én teknologi (EUV) har skabt interesse for alternative eller supplerende teknikker. Fremskridt: Ud over Canons NIL arbejdes der på Directed Self-Assembly (DSA) – brug af specielle materialer, der spontant danner meget fine mønstre, hvilket kan supplere litografi til visse strukturer. En anden tilgang er multiphoton- eller kvantelithografi, som stadig hovedsageligt er akademisk. E-beam litografi (direkte skrivning med elektronstråler) bruges til maskefremstilling og prototyper, men er for langsom til masseproduktion. Ikke desto mindre undersøger virksomheder multi-beam e-beam værktøjer til nichemønstring. Hvis disse alternativer modnes, kan de en dag reducere belastningen på optisk litografi eller sænke omkostningerne for nogle lag. For nu er de “nice to have” forskning, mens optisk UV-litografi forbliver den uundværlige hovedsøjle.

Ekspertindsigter og fremtidsudsigter

Der er enighed blandt brancheeksperter om, at ultraviolet litografi fortsat vil være hjørnestenen i chipfremstilling i overskuelig fremtid, omend med løbende udvikling. “Vi fortsætter med at udvikle og forbedre… der er en stejl læringskurve for os og vores kunder,” sagde en ASML-talsmand om udrulningen af High-NA EUV, og understregede at hvert nyt spring (som High-NA) kræver omfattende finjustering ^[72]. Analytikere advarer også om, at omkostningseffektivitet vil styre udbredelsen: “Mens nogle chipproducenter måske indfører [High-NA EUV] tidligere for at opnå teknologisk førerposition, vil de fleste ikke tage det i brug, før det giver økonomisk mening,” bemærkede Jeff Koch fra SemiAnalysis, og forudsagde at de fleste vil vente til omkring 2030, hvor fordelen opvejer udgiften^[73]. Som svar insisterer ASML’s CEO Peter Wennink på, at High-NA vil bevise sin værdi tidligere: “Alt hvad vi ser med kunderne er, at High-NA er billigere [for dem]” til at opnå næste niveau af skalering ^[74]. Dette optimistiske syn antyder, at efterhånden som kompleksiteten vokser, kan mere avanceret litografi faktisk reducere de samlede omkostninger ved at fjerne ekstra procestrin.

Man kan ikke overvurdere ASML’s centrale rolle – et faktum, der ikke er gået regeringer forbi. I en verden, hvor avancerede chips giver økonomiske og militære fordele, er litografisk udstyr blevet et strategisk aktiv. Den hollandske regering (med amerikansk opbakning) har strengt begrænset ASML’s eksport af avancerede værktøjer til Kina ^[75], et tiltag med det formål at “stikke en kæp i hjulet for Beijings halvlederambitioner”^[76]. Dette har ført til en opsplitning af den globale chipforsyningskæde: de mest avancerede logikchips produceres i øjeblikket kun få steder (Taiwan, Sydkorea og snart USA via TSMC/Intel-fabrikker), alle med brug af ASML’s EUV-maskiner. Kina investerer massivt i at indhente de ældre teknologinoder og udvikle hjemmelavet litografi, men eksperter vurderer, at det kan tage mange år at nærme sig paritet – hvis det overhovedet sker – på grund af de store videns- og IP-barrierer.

Imens stiger efterspørgslen på UV-litografiværktøjer kraftigt i takt med halvlederboomet. Væksten inden for AI og højtydende databehandling får de førende fabrikker til at udvide kapaciteten. ASML’s ordrebøger for EUV-værktøjer nåede rekordhøjder – i et nyligt kvartal steg ordrerne til 10 milliarder dollars, primært til fremtidige EUV- og High-NA-systemer ^[77]. Virksomheden forudser, at EUV-relaterede indtægter vil stige med ~40–50% i 2025 ^[78], hvilket vil hjælpe med at øge det samlede salg trods lavere efterspørgsel fra hukommelse eller Kina ^[79]. Med andre ord, markedet for avanceret litografi er robust og voksende, og ASML forventer at levere adskillige flere EUV-enheder hvert år. I 2030 vil High-NA EUV sandsynligvis være udbredt, og fokus vil skifte til, hvad der kommer efter EUV’s æra.

Hvad kan komme næste? Nogle forskere taler om “Beyond EUV” – måske ved at bruge endnu kortere bølgelængder i det bløde røntgenområde (~6–8 nm) eller elektron/ion-projektionslitografi – men hver af disse veje står over for store fysiske udfordringer. For nuværende er branchens strategi at få mest muligt ud af EUV: først ved at indføre High-NA EUV for endnu 1–2 generationers minimering, og ved at kombinere EUV med smart procesintegration (såsom chiplet-arkitekturer og 3D-stabling, som mindsker behovet for monolitiske 2D-minimeringer). Litografi vil forblive en blanding af teknikker: DUV forsvinder ikke (det vil blive brugt sammen med EUV), og nye metoder som nanoimprint kan finde en niche til at supplere de gængse processer, hvis de viser deres værd. Men ethvert radikalt skift væk fra optisk litografi vil sandsynligvis også kræve et paradigmeskifte i chipdesign – noget, der endnu ikke er på horisonten for produktion i stor skala.

Med TSMC’s formand Mark Lius ord har halvlederindustrien “arbejdet i en tunnel” med et klart mål i årtier: minimer, minimer, minimer ^[80]. Ultraviolet litografi har været lyset, der har guidet denne tunnel. Det startede med kviksølvlamper og primitiv UV, udviklede sig til excimer deep-UV-lasere, der bar os i over 20 år ^[81], og er nu nået til ekstrem-UV-æraen, der forlænger tunnelen yderligere. Rejsen har været alt andet end let – præget af triumfer og hyppig tvivl – men resultatet er intet mindre end forbløffende: milliarder af strukturer kun få atomer brede, mønstret fejlfrit over store wafere, hvilket muliggør beregningsmæssige præstationer, der virkede umulige for en generation siden.

Når vi ser fremad, er mikroprocessorudvikling mere sammenflettet med litografi end nogensinde. Ydelsen og kapabiliteterne for de næste CPU’er, GPU’er og AI-acceleratorer vil i høj grad blive bestemt af, hvor fint og pålideligt vi kan printe deres strukturer. Ultraviolet litografi er det vigtigste værktøj, der gør dette muligt. Brancheeksperter er optimistiske og mener, at med fortsatte innovationer – fra High-NA optik til smartere software og måske nogle out-of-the-box idéer som NIL eller DSA – vil litografi fortsat levere. ASML’s CEO antyder endda, at køreplanen for EUV og dets udvidelser er solid for det næste årti, hvilket giver chipproducenter en klar bane til at fortsætte forbedringerne. Globale markedstendenser peger på sund vækst og intens konkurrence, men også en samling omkring nogle få centrale teknologier og leverandører.

Sammenfattende er ultraviolet litografis verden en fusion af banebrydende fysik og ingeniørkunst med økonomi og strategi på højeste niveau. Det foregår måske i UV-lysets usynlige rige, men dets indflydelse er tydeligt synlig i form af stadig kraftigere mikroprocessorer år efter år. Næste gang du hører om et nyt “nanometer”-chipgennembrud, så husk den ultraviolette revolution, der arbejder bag kulisserne. Fra deep UV til ekstrem UV og videre, disse teknologier er virkelig med til at forme fremtiden for mikrochips – og ridser de næste linjer i historien om menneskets teknologiske fremskridt, ét fotonblink ad gangen.

Kilder

C. Thompson, “Inde i maskinen der reddede Moore’s lov,” MIT Technology Review, 27. okt. 2021 ^[82]^[83]
Wikipedia, “Fotolitografi – Nutidens mest avancerede værktøjer bruger 193 nm dyb UV excimer-lasere” ^[84]
M. Chaban, “Baner vejen: Hvordan ASML genoplivede Moore’s lov,” Google Cloud Blog, 28. mar. 2023 ^[85]^[86]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Udforskning af fremtiden for EUV-litografi og videre,” 4. nov. 2024 ^[87]
T. Sterling, “Intel bestiller ASML-system for langt over $340 mio. i jagten på chip-fordel,” Reuters, 19. jan. 2022 ^[88]
T. Sterling, “ASML’s næste chip-udfordring: udrulning af deres nye $350 mio. ‘High NA EUV’-maskine,” Reuters, 9. feb. 2024 ^[89]
TrendForce News, “ASML bekræfter første High-NA EUV EXE:5200-levering…,” 17. jul. 2025 ^[90]
T. Sterling, “Hollandsk regering udelukker de fleste ASML-salg til Kina fra eksportdata,” Reuters, 17. jan. 2025 ^[91]
A. Shilov, “Ny ‘stemplings’-chipfremstillingsteknik bruger 90% mindre strøm end EUV,” Tom’s Hardware, 31. jan. 2024 ^[92]
Samsung Newsroom, “Samsung Electronics påbegynder masseproduktion på ny EUV-linje,” feb. 2020 ^[93]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “7nm FinFET Plus (N7+) Teknologi – Første til at bruge EUV (2019)” ^[94]
S&P Global Market Intelligence, “ASML klar til AI-drevet genopblomstring, da efterspørgslen på EUV og High-NA stiger,” sept. 2023 ^[95]

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

Watch this video on YouTube.

References