Ultraviolettivallankumous: Näkymättömien 150 miljoonan dollarin koneiden sisällä, jotka muovaavat mikrosirujen tulevaisuutta

Ultraviolettilitografiakoneet maksavat yli 150 miljoonaa dollaria kappaleelta ja ovat bussin kokoisia.
Alan tarkkailijat ovat nimenneet näiden laitteiden uusimman sukupolven ”koneiksi, jotka pelastivat Mooren lain”, koska ne mahdollistavat nykyaikaiset huippuluokan prosessorit.
ASML on ainoa EUV-litografiajärjestelmien toimittaja, ja EUV-laitteet maksavat noin 150–180 miljoonaa dollaria kappaleelta.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) otti EUV:n ensimmäisenä käyttöön laajamittaisesti 7nm+ (N7+) -prosessissaan vuonna 2019.
Extreme ultraviolet -litografia käyttää 13,5 nm valoa, joka syntyy ampumalla tehokas laser tinapisaroihin, jolloin syntyy plasmaa, joka säteilee EUV-säteilyä; laitteiden tehonkulutus ylittää 1 megawatin.
ASML toimitti ensimmäisen High-NA EUV -laitteen, EXE:5200:n, vuonna 2025; siinä numeerinen apertuuri nousee 0,55:een ja tavoitteena on noin 175 kiekkoa tunnissa.
Ensimmäiset kaupalliset EUV-sirut tulivat markkinoille vuonna 2019, kun TSMC:n 7nm+ (N7+) -prosessi ja Samsungin 7LPP käyttivät EUV:ta.
Vientirajoitukset estävät ASML:ää myymästä EUV-laitteita Kiinaan, kun taas ASML:n myynti Kiinaan vuonna 2024 oli noin 7 miljardia dollaria, pääosin DUV-laitteista.
Nikon ja Canon vetäytyivät EUV-kehityksestä; Nikon toimittaa edelleen 193 nm upotusskannereita, kun taas Canon keskittyy nanoimprint-litografiaan (NIL) ja toimittaa koetoimituksia vuonna 2024.
Samsungin 14 nm -luokan DRAM käyttää EUV:ta useissa kerroksissa, ja Micron suunnittelee EUV:n käyttöä seuraavassa DRAM-solmussaan.

Jokainen nykyaikainen mikroprosessori – älypuhelimesi sirusta pilvipalveluiden tekoälyä pyörittäviin suorittimiin – syntyy ultraviolettivalon alla. Itse asiassa jotkut maailman edistyneimmistä valmistuskoneista suuntaavat näkymättömiä ultraviolettilasereita piikiekoille kaivertaakseen nanoskaalan piirit, jotka saavat mikrosirut toimimaan. Nämä koneet maksavat yli 150 miljoonaa dollaria kappaleelta, ovat bussin kokoisia ja toimivat lähes tieteisfiktiomaisella monimutkaisuudella – silti ne ovat Mooren lain ja jatkuvasti nopeutuvien, pienempien ja energiatehokkaampien prosessorien näkymättömiä työhevosia ^[1], ^[2]. Alan tarkkailijat ovat jopa nimenneet näiden laitteiden uusimman sukupolven ”koneiksi, jotka pelastivat Mooren lain”, koska ilman niitä huippuluokan sirujen valmistus olisi käytännössä mahdotonta ^[3]. Tämä raportti sukeltaa ultraviolettilitografian maailmaan – sekä perinteiseen syväultraviolettiin (DUV) että huippuluokan äärimmäiseen ultraviolettiin (EUV) – selittäen, miten se toimii, miksi se on niin kriittinen mikroprosessorien kehitykselle ja mihin suuntaan ala on menossa.

Ultraviolettilitografia saattaa kuulostaa esoteeriselta insinööritieteeltä, mutta sen vaikutus on hyvin todellinen ja näkyvä arjessamme. Tulostamalla yhä hienompia transistorikuvioita piille, UV-litografia mahdollistaa suoraan teknologiateollisuuden huomattavan kehitysvauhdin. Kuten eräs teknologia-analyytikko suorasanaisesti totesi, “Moore’n laki on käytännössä hajoamassa, ja ilman tätä konetta se on mennyttä. Et voi oikeastaan valmistaa mitään huipputason prosessoreita ilman EUV:ta.”^[4] Toisin sanoen, mikrosirujen tulevaisuus – ja kaikki laitteet ja innovaatiot, joita ne mahdollistavat – riippuu nyt valon hyödyntämisestä hyvin pienillä aallonpituuksilla. Alla käymme läpi, miten tämä valoon perustuva tulostus toimii, miten se on kehittynyt uusimpaan EUV-teknologiaan, ketkä ovat alan suurimmat toimijat (hollantilaisesta laitevalmistaja ASML:stä sirujätteihin kuten TSMC, Samsung ja Intel), viimeaikaiset läpimurrot (kuten seuraavan sukupolven EUV-koneet ja vaihtoehtoiset tekniikat) sekä mitä alan asiantuntijat sanovat tulevaisuuden näkymistä.

Mitä on ultraviolettilitografia?

Ytimeltään litografia sirujen valmistuksessa on verrattavissa valokuvaukseen piillä. Piikiekko päällystetään valolle herkällä aineella (valoresisti), ja kone käyttää kohdistettua valoa heijastaakseen monimutkaisia piirikuviota kiekolle sapluunamaisen maskin läpi. Kuviot vastaavat pieniä transistoreita ja johdotuksia, jotka muodostavat mikroprosessorin. Siellä missä valo osuu, resisti muuttuu kemiallisesti niin, että nämä alueet voidaan syövyttää tai käsitellä, kun taas peitetyt alueet pysyvät suojattuina. Toistamalla tämä prosessi kerros kerrokselta äärimmäisellä tarkkuudella, siruvalmistajat rakentavat modernin integroidun piirin monimutkaisen arkkitehtuurin.

Tämän “painatusprosessin” tarkkuuden avain on valon aallonpituus. Aivan kuten hienompi sivellin antaa taiteilijan maalata pienempiä yksityiskohtia, lyhyempi valon aallonpituus mahdollistaa siruvalmistajille kaivertaa hienompia piirteitä. Vuosikymmenten ajan puolijohdeteollisuus on määrätietoisesti siirtynyt kohti lyhyempiä aallonpituuksia sähkömagneettisessa spektrissä voidakseen valmistaa yhä pienempiä transistoreita ^[5]. Varhaiset sirut 1960-luvulla käyttivät näkyvää ja pitkäaaltoista UV-valoa (g-linja 436 nm, i-linja 365 nm), mutta 1990-luvulle tultaessa huipputekniikka siirtyi syvän ultraviolettivalon alueelle tehokkailla eksimeerilasereilla 248 nm (KrF) ja myöhemmin 193 nm (ArF)^[6]. 193 nm valo – noin 1/5 näkyvän valon aallonpituudesta – tuli sirujen valmistuksen työjuhdaksi 2000- ja 2010-luvuilla. Tämä syvä UV (DUV) litografia mahdollisti minimipiirteet noin ~50 nm ja alle, erityisesti kun käyttöön otettiin keinoja kuten immersiolinssit ja useat valotukset ^[7]. Itse asiassa “eksimeerilaserlitografia” 248 nm ja 193 nm aallonpituuksilla oli niin menestyksekästä, että se ajoi Mooren lakia noin kahden vuosikymmenen ajan, mahdollistaen transistorikokojen jatkuvan pienentymisen ja sirutiheyksien kaksinkertaistumisen aikataulussa ^[8].

Kuitenkin 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa insinöörit tiesivät lähestyvänsä aaltopituusmuuria 193 nm valolla ^[9]. Jotta voitiin kuvioida huomattavasti alle ~40–50 nm kokoisia rakenteita, 193 nm litografiassa jouduttiin turvautumaan yhä monimutkaisempiin menetelmiin: eksoottisiin optisiin kikkoihin, monikuviointiin (saman kerroksen valottaminen useita kertoja siirretyillä maskeilla hienomman rakenteen saavuttamiseksi) ja muihin kekseliäisiin kiertoratkaisuihin ^[10], ^[11]. Nämä tekniikat pidentivät DUV-laitteiden käyttöikää (itse asiassa piirivalmistajat venyttivät 193 nm tekniikkaa aina solmuihin, joita markkinoitiin 10 nm tai jopa 7 nm kokoisina käyttämällä kaksois-, kolmois- tai nelinkertaista kuviointia), mutta valtavan monimutkaisuuden, heikomman saannon ja räjähdysmäisesti kasvavien tuotantokustannusten hinnalla. 2010-luvun puoliväliin mennessä oli selvää, että perinteinen DUV oli äärirajoillaan – ala tarvitsi harppauksen lyhyempään aaltopituuteen pitääkseen Mooren lain voimassa ^[12].

Syvän ultraviolettivalon (DUV) litografia: Työjuhta

Syvän UV:n litografia (käyttäen ~248 nm ja 193 nm lasereita) on ollut piirivalmistuksen työjuhtatekniikka useiden sukupolvien ajan. DUV-laitteet ovat pohjimmiltaan erittäin tarkkoja projisoituja kuvantamisjärjestelmiä: ne loistavat UV-laserin kuvioidun fotomaskin ja sarjan pienentävien linssien läpi, jolloin piikiekolle heijastuu pienennetty kuva. Nykyaikaisissa 193 nm järjestelmissä linssin ja kiekon väli täytetään jopa erittäin puhtaalla vedellä (upotuslitografia), mikä käytännössä kasvattaa linssin numeerista apertuuria ja mahdollistaa pienempien rakenteiden erottamisen ^[13]. Näillä menetelmillä 193 nm upotuslitografia kykeni tulostamaan huomattavasti nimellistä aaltopituuttaan pienempiä rakenteita – mutta vain käyttämällä resoluution parannustekniikoita ja toistuvia valotuksia. Esimerkiksi ennen EUV:n tuloa huipputason 7 nm solmun piirit toteutettiin DUV:lla käyttämällä neljää erillistä maskointivaihetta yhdelle kerrokselle (nelinkertainen kuviointi) – hämmästyttävän monimutkainen tarkkuuslinjaustehtävä.

DUV-litografia on erittäin kypsä ja luotettava. Yritysten kuten ASML:n, Nikonin ja Canonin DUV-laitteet hoitavat edelleen suurimman osan sirujen valmistuksen kerroksista nykyään (jopa huippuluokan tehtaissa vain kaikkein kriittisimmät kerrokset käyttävät EUV:ta, kun taas vähemmän kriittiset kerrokset tehdään edelleen useilla DUV-valotuksilla). Nämä koneet ovat myös huomattavasti halvempia kuin uusimmat EUV-laitteet – huippuluokan immersio-DUV-skanneri voi maksaa noin 50–100 miljoonaa dollaria, kun taas EUV-laite maksaa yli 150 miljoonaa ^[14]. Tämän seurauksena DUV-laitteet ovat edelleen korvaamattomia paitsi vanhemman sukupolven siruille (joissa piirteet ovat suurempia ja helpompia tulostaa), myös EUV:n rinnalla edistyneissä prosesseissa. Itse asiassa DUV-myynti muodostaa yhä suurimman osan litografialaitteiden toimitetuista yksiköistä vuosittain ^[15]. Siruvalmistajilla on valtava määrä asennettuja DUV-skannereita ja laaja osaaminen niiden käytössä.

Kuitenkin, jatkuvista parannuksista huolimatta, 193 nm DUV saavutti perustavanlaatuisen rajan siinä, kuinka paljon pienemmäksi se pystyi menemään ilman kohtuutonta vaivaa. Optisen litografian käytännöllinen resoluutio noudattaa suunnilleen Rayleighin kriteeriä: minimikuvion koko ≈ k₁ · (λ/NA), missä λ on aallonpituus ja NA on linssin apertuuri. Kun λ on kiinteä 193 nm ja NA maksimissaan noin 1,35 (immersio), siruvalmistajat puristivat k₁:n teoreettisille rajoilleen laskennallisin keinoin – mutta jotta piirteen kokoa voitiin edelleen pienentää, λ:n itsensä piti pienentyä. Vuoteen 2019 mennessä johtavat foundryt kuten TSMC ja Samsung olivat kaupallisesti ottaneet käyttöön uuden litografian valonlähteen aallonpituudella 13,5 nm – lähes 15× lyhyempi kuin DUV:n 193 nm ^[16]. Tämä käynnisti äärimmäisen ultraviolettivalon litografian aikakauden.

Siirtyminen äärimmäisen ultraviolettivalon (EUV) litografiaan

Erittäin lyhytaaltoista ultraviolettilitografiaa (EUV) käytetään huomattavasti lyhyemmän aallonpituuden valoa – 13,5 nm, UV:n ja röntgensäteilyn rajalla – sirujen valottamiseen. Siirtymällä näin paljon hienompaan ”siveltimeen” EUV voi piirtää paljon pienempiä transistoreja ja rakenteita yhdellä valotuksella, välttäen monia monimutkaisia monikuviointivaiheita, joita DUV vaatii edistyneillä solmuilla ^[17]. Käytännössä EUV-litografia on mahdollistanut sirujen suuren volyymin valmistuksen 7 nm, 5 nm ja 3 nm teknologiasukupolvissa, huomattavasti vähemmillä prosessivaiheilla ja paremmilla tuotoilla kuin pelkällä DUV-menetelmällä. Esimerkiksi Taiwanin TSMC käytti EUV:ta muutamassa kriittisessä kerroksessa alkaen 7 nm+ (N7+) prosessistaan vuonna 2019 – ensimmäinen kaupallinen prosessi, jossa käytettiin EUV:ta ^[18] – ja sitten laajasti 5 nm solmuissaan, jotka pyörittävät esimerkiksi Applen A15- ja A16 Bionic -älypuhelinsiruja ^[19]. Samsung aloitti vastaavasti massatuotannon EUV:lla vuoden 2019 alussa 7LPP-prosessillaan ja on sittemmin ottanut EUV:n käyttöön 5 nm:ssä ja jopa muistisirujen valmistuksessa^[20], ^[21]. Nämä siirrot muuttivat pelin: käyttämällä 13,5 nm valoa siruvalmistajat pystyivät piirtämään rakenteita yksittäisillä kuvioinneilla, jotka aiemmin vaativat useita DUV-valotuksia, yksinkertaistaen valmistusta ja mahdollistaen tiheämmän transistoripakkauksen kuin koskaan aiemmin^[22].

Kuitenkin, EUV-litografia ei ollut helppo vallankumous. Sen tekeminen käyttökelpoiseksi korkean volyymin tuotantoon vaati yli kahden vuosikymmenen tutkimustyön ja noin 9–10 miljardin dollarin T&K-investoinnit ^[23]^[24]. Haasteet olivat valtavat, koska 13,5 nm valo käyttäytyy hyvin eri tavalla kuin 193 nm valo. Ensinnäkin mikään materiaali ei ole läpinäkyvä 13,5 nm aallonpituudella – et voi käyttää taittolinssejä tai perinteisiä lasimaskeja. Sen sijaan EUV-järjestelmissä käytetään täysin peilipohjaista optiikkaa: sarjaa tarkasti muotoiltuja monikerrospeilejä, joissa on erityispinnoitteet, jotka heijastavat 13,5 nm valoa (jokainen peili heijastaa vain osan valosta, joten useiden peilien kanssa intensiteetti laskee dramaattisesti) ^[25]. Fotomaski on myös heijastava peilialusta, ei läpinäkyvä lasilevy. Kaiken tämän on toimittava vakuumissa (ilma absorboisi EUV:n). Lyhyesti sanottuna, EUV-skannerit ovat optisen järjestelmän täydellinen uudelleensuunnittelu verrattuna DUV-laitteisiin, ja niihin liittyy eksoottista optiikkaa ja äärimmäistä tarkkuutta.

Sitten on valonlähde: miten edes tuotetaan korkean intensiteetin 13,5 nm ultraviolettivaloa? Vastaus kuulostaa tieteistarinalta: EUV-laitteet luovat valoa ampumalla pulssitettua tehokasta laseria pieniin sulan tinan pisaroihin, 50 000 kertaa sekunnissa ^[26], ^[27]. Jokainen laserpulssi höyrystää tinapisaran erittäin kuumaksi plasmaksi, joka säteilee EUV-säteilyä – käytännössä koneen sisällä tapahtuu miniatyyrimäinen tähden kaltainen räjähdys. Nämä plasmafläsät tuottavat halutun 13,5 nm valon sekä paljon muuta ei-toivottua säteilyä ja jätettä, joten järjestelmän täytyy suodattaa ja kerätä oikea aallonpituus ja suojata kaikki muu. EUV-valo kohdistetaan sitten peilioptiikan avulla ja ohjataan kiekolle kuvioina. Prosessi on valon tuoton kannalta erittäin tehoton (suurin osa energiasta menee hukkaan lämpönä), minkä vuoksi valonlähdettä käyttävän laserin täytyy olla uskomattoman tehokas. EUV-skannerin valonlähde voi kuluttaa noin >1 megawatin verran tehoa tuottaakseen riittävästi EUV-fotonivirtaa massatuotantoon ^[28]. Vertailun vuoksi 193 nm eksimeerilaser käyttää vain murto-osan tästä tehosta. Tämä selittää, miksi EUV-laitteilla on valtavat virta- ja jäähdytysvaatimukset, ja miksi vaihtoehtoiset tekniikat kuten nanoimprint-litografia (joka ei käytä lainkaan lasereita) mainostavat noin 90 % energiansäästöä ^[29].

Monimutkaisuus ei lopu tähän. Koska EUV-fotonit ovat niin energisiä, ne voivat aiheuttaa hienovaraisia stokastisia ilmiöitä valotusresistissä (satunnaisvaihteluita, jotka voivat aiheuttaa vikoja, ellei niitä torjuta), ja EUV-maskia ei voi helposti suojata tavanomaisilla kalvoilla (erityisten EUV-kalvojen kehittäminen oli oma monivuotinen urakkansa). Jokainen järjestelmän osa – tyhjiövaiheista, kuusiakselisiin kiekon asemointilaitteisiin, jotka liikkuvat metrejä sekunnissa, monikerrospeilien vikojen tarkastukseen – venytti insinööritaidon rajoja. “Se on erittäin vaikea teknologia – monimutkaisuudeltaan se on luultavasti Manhattan-projektin luokkaa,” totesi Intelin litografian johtaja, havainnollistaen kuinka haastavaa EUV:n kehittäminen oli ^[30].

Monien vuosien ajan useat asiantuntijat epäilivät, että EUV koskaan toimisi ajoissa. Suuret toimijat Nikon ja Canon luopuivat EUV-tutkimuksesta kohdattuaan liikaa esteitä, jättäen ASML:n (Alankomaat) ainoaksi yritykseksi, joka vei teknologiaa eteenpäin^[31]^[32]. ASML:n panostus lopulta kannatti – mutta ei ilman apua. Vuonna 2012, tunnistaen EUV:n strategisen merkityksen, suuret siruvalmistajat Intel, TSMC ja Samsung sijoittivat yhdessä noin 4 miljardia dollaria ASML:ään nopeuttaakseen EUV:n kehitystä ^[33]. Vuoteen 2017 mennessä ASML esitteli vihdoin tuotantovalmiin EUV-skannerin (malli NXE:3400B), ja vuonna 2019 ensimmäiset kaupalliset EUV:lla valmistetut sirut tulivat markkinoille ^[34]^[35]. Alan tarkkailijat pitivät tätä vedenjakajana – pitkään viivästynyt EUV-vallankumous oli saapunut juuri ajoissa pidentämään puolijohteiden kehityspolkua. Kuten MIT Technology Review totesi, ASML:n EUV-laite on ”haluttu laite… jota käytetään valmistamaan mikrosirujen rakenteita, jotka ovat vain 13 nanometrin kokoisia… täynnä 100 000 pientä mekanismia… yhden toimittamiseen asiakkaalle tarvitaan neljä 747-konetta” ^[36]. Lyhyesti sanottuna, EUV-skannerit ovat modernin insinööritaidon ihmeitä, jotka tuovat ultraviolettivalon käyttöön mittakaavassa ja monimutkaisuudessa, jota ei ole aiemmin nähty.

Miksi UV-litografia on tärkeää mikroprosessoreille

Kaiken tämän monimutkaisuuden hyöty on yksinkertainen: pienemmät transistorit ja parempi sirun suorituskyky. Tulostamalla hienompia piirteitä siruvalmistajat voivat ahtaa enemmän transistoreita samaan pinta-alaan (mikä yleensä tarkoittaa enemmän laskentatehoa tai alhaisempaa hintaa per siru) ja pienentää sähköisiä kapasitansseja ja etäisyyksiä, jotka signaalien täytyy kulkea (mikä tarkoittaa nopeampia kytkentänopeuksia ja pienempää virrankulutusta). Tämä on Moore’n lain ydin – transistorien mittojen pienentäminen, jotta jokaiseen sirusukupolveen saadaan mahtumaan enemmän – ja litografia on tämän kehityksen perusedellytys ^[37], ^[38]. Kun kuulet uudesta älypuhelinsirusta, joka on valmistettu “3 nm prosessilla” tai palvelinprosessorista “5 nm EUV -teknologialla”, nämä numerot heijastavat pitkälti kehittyneen litografian kykyä määritellä erittäin pieniä piirteitä (vaikka solmunimet ovat osittain markkinointia, ne korreloivat tiheysparannusten kanssa, jotka EUV on mahdollistanut).

Ultraviolettilitografian merkitys tulee ehkä parhaiten esiin, kun mietitään mitä tapahtuisi ilman näitä edistysaskeleita. Jos ala olisi pysynyt vain 193 nm DUV:ssa, siruvalmistajat olisivat ehkä silti löytäneet tapoja tehdä erittäin tehokkaita siruja – mutta ne tarvitsisivat niin monta toistuvaa prosessivaihetta (ja tuottoa heikentävää monimutkaisuutta), että kustannukset nousisivat pilviin ja kehitys hidastuisi dramaattisesti. Itse asiassa 2010-luvun puolivälissä jotkut ennustivat Moore’n lain välitöntä loppua, koska optinen litografia oli tulossa tiensä päähän. EUV tuli juuri ajoissa tarjoamaan uuden elämänlangan. Palauttamalla yksinkertaisemman yhden valotuksen kuvioinnin huipputasolla, EUV on jatkanut skaalaustiekarttaa ainakin muutaman sukupolven ajan. Monet tämän päivän edistyneimmistä siruista ovat olemassa EUV:n ansiosta. Esimerkiksi Applen uusimmat A-sarjan älypuhelinprosessorit ja M-sarjan Mac-sirut valmistetaan TSMC:llä käyttäen 5 nm EUV -prosesseja, mikä mahdollistaa kymmenien miljardien transistorien määrän ja merkittävät harppaukset nopeudessa ja energiatehokkuudessa aiempiin sukupolviin verrattuna ^[39]. Myös AMD:n Ryzen-prosessorit ja näytönohjaimet, joista monet valmistetaan TSMC:n 7 nm tai 5 nm EUV -solmuilla, hyötyvät tiheysparannuksesta ja energiansäästöstä. Jopa huipputason tekoälykiihdyttimet ja datakeskusprosessorit – sellaiset, jotka pyörittävät laajamittaisia tekoälymalleja – tukeutuvat EUV-pohjaisiin 5 nm/4 nm prosesseihin, jotta matriisilaskentayksiköt saadaan pakattua tiheästi ja tehonhallinta pysyy kurissa.

Kyse ei ole vain logiikkapiireistä. Muistisirut hyötyvät myös UV-litografian edistysaskeleista. Korkean suorituskyvyn DRAM-muistien valmistajat ovat alkaneet käyttää EUV:ta tietyissä kriittisissä kerroksissa uusimmissa sukupolvissaan (esim. Samsungin 14 nm-luokan DRAM käyttää EUV:ta useissa kerroksissa) kasvattaakseen bittitiheyttä ja parantaakseen saantoa ^[40]. Myös Micron ottaa EUV:n käyttöön seuraavassa DRAM-solmussaan. Useammat EUV-kerrokset muistissa tarkoittavat enemmän gigabittejä tallennustilaa sirua kohden ja alempaa hintaa bittiä kohden, mikä lopulta tarkoittaa enemmän muistia laitteissasi samalla hinnalla. Itse asiassa ASML:n toimitusjohtaja Peter Wennink on todennut, että tekoälyn ja datan kasvava kysyntä ajaa muistivalmistajia ottamaan EUV:n nopeasti käyttöön – “DRAM-valmistajat käyttävät enemmän EUV-kerroksia nykyisissä ja tulevissa solmuissa”, hän huomautti, mikä lisää näiden laitteiden kysyntää koko alalla ^[41].

Lyhyesti sanottuna, UV-litografia vaikuttaa suoraan mikroprosessorin suorituskykyyn. Kyky valmistaa pienempiä transistoreja ei ainoastaan mahdollista useampien ytimien tai suuremman välimuistin sijoittamisen sirulle, vaan se voi myös vähentää jokaisen transistorin kytkentään tarvittavaa tehoa. Siksi jokainen uusi prosessisukupolvi tuo usein mukanaan 15–30 % suorituskykyparannuksen ja 20–50 % tehonlaskun samalla suunnittelulla, tai vaihtoehtoisesti mahdollistaa transistoritiheyden kaksinkertaistamisen tai enemmän. Esimerkiksi TSMC:n siirtyminen 7 nm:n (pääosin DUV) prosessista 5 nm:n (EUV) prosessiin tarjosi noin 1,8× logiikkatiheyden kasvun ja ~15 % nopeusparannuksen samalla teholla ^[42]. Nämä parannukset näkyvät nopeampina älypuhelimina, tehokkaampina datakeskuksina ja läpimurtoina korkean suorituskyvyn laskentatehtävissä. Ultraviolettilitografia on näkymätön käsi, joka veistää nämä parannukset piille. Kuten eräs alan tutkimusjohtaja tiivisti: “Ilman EUV:ta et voi oikeasti valmistaa mitään huippuluokan prosessoreita”^[43] – se on niin kriittistä kehityksen käyrällä pysymiselle.

Tämänhetkinen huipputaso ja suurimmat toimijat

Vuonna 2025 ultraviolettilitografia on jokaisen edistyneen sirutehtaan ytimessä, ja sitä hallitsee muutama keskeinen toimija ja teknologia. Tässä katsaus nykytilanteeseen ja tärkeimpiin sitä ohjaaviin voimiin:

ASML (Alankomaat) – Litografian kulmakivi. ASML on ainoa EUV-litografiajärjestelmien toimittaja maailmanlaajuisesti ^[44]. 2010-luvun lopulla siitä tuli ensimmäinen (ja ainoa) yritys, joka kaupallisti EUV-skannerit, kun kilpailijat vetäytyivät ^[45]. Sen EUV-laitteita (jokainen maksaa noin 150–180 miljoonaa dollaria ^[46], ^[47]) käyttävät kaikki johtavat huipputason siruvalmistajat. ASML valmistaa myös DUV-skannereita (joissa se kilpailee Nikonin/Canonin kanssa markkinaosuudesta). EUV:n ansiosta ASML:stä on kasvanut yksi maailman arvokkaimmista puolijohdelaiteyrityksistä – sillä on käytännössä monopoli edistyneimmässä litografiatekniikassa. Yksi huipputason tuotantolaitos saattaa tarvita 10–20 ASML:n EUV-konetta, mikä tarkoittaa useiden miljardien dollarien investointia. Vuoteen 2021 mennessä kentällä oli jo yli 100 EUV-laitetta ^[48], ja määrä kasvaa edelleen TSMC:n, Samsungin ja Intelin laajentaessa EUV:n käyttöä. (Huomionarvoista on, että vientirajoitukset estävät tällä hetkellä ASML:ää myymästä EUV-koneita Kiinaan niiden strategisen merkityksen vuoksi ^[49].)
TSMC (Taiwan) – EUV:n edelläkävijä foundry-teknologiassa. TSMC on maailman suurin sopimusvalmistaja siruille ja oli ensimmäinen, joka otti EUV:n käyttöön volyymituotannossa (sen 7nm+ “N7+” -prosessi vuonna 2019 oli alan ensimmäinen EUV-prosessi) ^[50]. Tämän jälkeen TSMC on hyödyntänyt EUV:ta laajasti 5 nm sukupolvessaan (2019–2020) sekä 4 nm/3 nm prosesseissa, tuottaen siruja Applelle, AMD:lle, Nvidialle ja monille muille huippuluokan saannilla. Käyttämällä EUV:ta useissa kriittisissä kerroksissa TSMC saavutti tiheyden kasvun, joka määrittelee nämä prosessit. TSMC:n varhainen EUV-osaaminen on suuri syy siihen, miksi se on viime vuosina ohittanut Intelin prosessiteknologiassa. Tulevaisuudessa TSMC aikoo jatkaa nykyisen EUV:n (0.33 NA) käyttöä 3 nm ja jopa 2 nm prosesseissaan, ja arvioi seuraavan sukupolven EUV:ta tulevaisuutta varten ^[51]. (Mielenkiintoista kyllä, TSMC on ilmoittanut, että se saattaa ei kiirehtiä ottamaan käyttöön ensimmäisiä High-NA EUV -laitteita 2 nm -aikakauden prosesseissaan noin vuosina 2027–2028, vaan odottaa, kunnes taloudelliset perusteet ovat kohdallaan ^[52].)
Samsung (Etelä-Korea) – Muisti- ja logiikkasovellusten omaksuja. Samsung otti EUV:n nopeasti käyttöön logiikkapiireissä, ilmoittaen 7 nm EUV -tuotannosta jo vuonna 2019 (sen Exynos-mobiiliprosessorit ja jotkin Qualcomm Snapdragon -sirut käyttivät näitä). Samsung oli myös edelläkävijä EUV:n käytössä muistipiireissä, ollen ensimmäinen, joka käytti EUV:ta DRAM-valmistuksessa (sen 1z-nm DRAM-prosessissa) ja V-NAND-kerrostuksessa ^[53]. Samsungin EUV-yhteensopiva tuotantolinja Hwaseongissa on ollut esittelykohde, ja yhtiö jatkaa investointeja EUV:hun sekä foundry- että muistiliiketoiminnassaan. Kuten TSMC, myös Samsung on ASML:n tulevan High-NA EUV:n asiakas, vaikka raporttien mukaan Samsung ei ole vielä päättänyt, milloin se ottaa nämä laitteet tuotantoon ^[54]. Sillä välin Samsungin nykyiset huippuprosessit (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around -transistorit) hyödyntävät kaikki EUV:ta maskikerrosten vähentämiseksi. Samsung valmistaa edelleen monia siruja DUV:lla ja vanhemmilla laitteilla, mutta huipputeknologiassa se on täysin sitoutunut EUV:hun.
Intel (USA) – Kilpajuoksu takaisin kärkeen. Intel, joka oli pitkään litografian johtaja, kohtasi viivästyksiä 10 nm:n solmussaan (joka käytti edistynyttä DUV-monikuviointia) ja jäi näin jälkeen EUV:n käyttöönotossa. Yritys on kuitenkin sittemmin investoinut voimakkaasti kuroakseen eroa umpeen. Intelin uusimmat prosessisukupolvet (brändättyinä “Intel 4”, “Intel 3”, suunnilleen vastaavat ~7 nm ja ~5 nm luokkaa) käyttävät EUV-litografiaa useille kerroksille – esimerkiksi Intel 4 hyödyntää EUV:tä yhtiön tulevien Meteor Lake -suorittimien valmistuksessa ^[55]. Intel oli myös varhainen sijoittaja ASML:ään ja on varmistanut etusijaisen pääsyn ASML:n High-NA EUV -koneisiin: se sai maailman ensimmäisen High-NA EUV -laitteen (EXE:5000-sarja) vuonna 2023 tutkimus- ja kehityskäyttöön ja on saamassa ensimmäisen tuotantotason High-NA-laitteen (EXE:5200) vuosina 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel aikoo käyttää näitä High-NA EUV -skannereita 1,8 nm:n ja 14Å-sukupolven solmuissaan (~2027 aikataulu) osana kunnianhimoista tiekarttaansa prosessijohtajuuden palauttamiseksi ^[58], ^[59]. Uuden toimitusjohtajan johdolla Intel mainostaa avoimesti EUV:n omaksumista ja jopa valmistuspalveluja, joissa EUV:ta käytetään muiden yritysten piirien valmistukseen lähitulevaisuudessa.
Nikon ja Canon (Japani) – DUV:n veteraanit, etsivät vaihtoehtoja. Nikon ja Canon olivat aikoinaan litografialaitteiden hallitsevia toimittajia (1990-luvulla erityisesti Nikon johti huipputason stepper-laitteissa). Ne valmistavat edelleen DUV-litografiatyökaluja – itse asiassa Nikon toimitti vuosien ajan koneita Intelille ja muistivalmistajille. Mutta kumpikaan yritys ei toimittanut EUV-ratkaisua: molemmat vetäytyivät EUV-kehityksestä 2000-luvun alun tutkimusten jälkeen, jättäen markkinan ASML:lle ^[60]. Nykyään Nikon myy yhä 193 nm upotusskannereita suurivolyymiseen tuotantoon (erityisesti käytössä ei-johtavissa tehtaissa tai täydentävinä työkaluina), kun taas Canon on keskittynyt erikoisaloihin, kuten nanoimprint-litografiaan (NIL). Canonin uudet NIL-laitteet yrittävät ”leimata” sirukuviot mekaanisesti ja väittävät jopa kymmenkertaisesti alhaisempia kustannuksia ja 90 % pienempää energiankulutusta kuin EUV-laitteet^[61]^[62]. Canon aloitti ensimmäisten NIL-laitteidensa toimitukset kokeilukäyttöön vuonna 2024 ^[63]. Jotkut näkevät NIL:n mahdollisena mullistavana teknologiana tietyissä sovelluksissa (sitä voitaisiin käyttää perinteisen litografian rinnalla yksinkertaisemmille kerroksille tai muistilaitteille), mutta sitä ei ole vielä todistettu toimivaksi suurivolyymisessa, tiheimmässä logiikkatuotannossa ^[64]. Toistaiseksi Nikon ja Canon ovat merkittäviä DUV-sektorilla (ja vanhemmilla solmuilla), mutta ASML:llä on käytännössä monopoli edistyneessä litografiassa, jota tarvitaan huipputason mikroprosessoreihin.
Kiinan pyrkimykset – Kuilun kaventaminen rajoitusten alla. Kiina, jossa sijaitsee suuria sirutehtaita kuten SMIC, ei tällä hetkellä pääse käsiksi EUV-teknologiaan – ASML:lle ei ole koskaan sallittu myydä EUV-skannereita Kiinaan Yhdysvaltojen johtamien vientirajoitusten vuoksi cnfocus.com. Jopa ASML:n uusimpien DUV-uppotyökalujen myynti Kiinaan edellyttää nyt Alankomaiden hallituksen lupaa vuodesta 2023 alkaen ^[65]. Tämä on vauhdittanut kiinalaisia pyrkimyksiä kehittää omaa litografiaosaamista. Johtava kiinalainen litografialaitevalmistaja SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment) on tiettävästi rakentanut koneita, jotka kykenevät 90 nm ja 28 nm luokan DUV-litografiaan, mutta EUV:hen verrattavaa teknologiaa ei vielä ole (EUV vaatii laajan patenttiekosysteemin ja haastavia fysiikan ratkaisuja). Tämän seurauksena kiinalaiset tehtaat kuten SMIC ovat onnistuneet valmistamaan 7 nm:n kaltaisen sirun vanhemmalla DUV-monikuvioinnilla, mutta ne ovat edelleen pari sukupolvea jäljessä huipputasosta, joka vaatii EUV:ta. Maailmanmarkkinatrendit ovat siis syvästi sidoksissa geopoliittisiin tekijöihin: litografialaitteista on tullut strateginen voimavara. Vuonna 2024 ASML:n myynti Kiinaan (lähinnä DUV-laitteita) oli noin 7 miljardia dollaria ^[66], mutta tuleva kasvu on epävarmaa kiristyvien vientirajoitusten vuoksi. Samaan aikaan kysyntä kasvaa muualla, joten ASML ennustaa EUV-liiketoimintansa kasvavan noin 30 % vuonna 2025, vaikka Kiinan markkinoihin liittyykin epävarmuuksia ^[67], ^[68].

Haasteet ja viimeaikaiset edistysaskeleet

Vaikka ultraviolettilitografia on mahdollistanut merkittävää kehitystä, se kohtaa myös huomattavia haasteita, jotka ajavat jatkuvaa innovaatiota. Tässä joitakin keskeisiä kipupisteitä ja viimeaikaisia edistysaskeleita niiden ratkaisemiseksi:

Työkalujen kustannukset ja monimutkaisuus: EUV-skannereiden hintalappu (noin 150 miljoonaa dollaria tai enemmän kappaleelta) ja niiden valtava monimutkaisuus nostavat kynnystä piirivalmistajille ^[69]. Vain harvat yritykset voivat hankkia suuria määriä näitä laitteita. Kustannusten perustelemiseksi tuotantolaitosten on saavutettava korkea käyttöaste ja korkea saanto. Edistysaskeleet: Seuraavan sukupolven High-NA EUV -laitteet ovat vielä kalliimpia (yli 300 miljoonaa dollaria kappaleelta) ^[70], mutta ne lupaavat suurempaa läpimenoa ja tarkkuutta, mikä voi laskea transistorin yksikkökustannusta. Lisäksi koneoppimisen ja laskennallisen litografian kehitys auttaa maksimoimaan jokaisen laitteen suorituskyvyn (parantamalla kuvion tarkkuutta ja prosessi-ikkunoita).
Läpimeno (skannerin nopeus): Varhaiset EUV-laitteet käsittelivät vähemmän kiekkoja tunnissa kuin DUV-vastineensa, osittain rajoitetun lähdetehon ja herkemmän optiikan vuoksi. Alhainen läpimeno tarkoittaa matalampaa tuotantotehokkuutta. Edistysaskeleet: EUV-lähteiden teho on parantunut tasaisesti (nykyiset lähteet ylittävät 250 W, kun alkuperäisissä tuotantolaitteissa oli noin 125 W), ja ASML:n uusimmat EUV-skannerit voivat valottaa noin 160 kiekkoa/tunti optimaalisissa olosuhteissa. Tulevissa High-NA EUV -järjestelmissä on uudelleen suunnitellut optiikat, joissa on suurempi numeerinen apertuuri 0,55 vs 0,33, mikä parantaa tarkkuutta mutta pienentää aluksi kenttäkokoa. Tämän kompensoimiseksi ASML kehittää näitä laitteita saavuttamaan lopulta noin 185 kiekkoa/tunti läpimenon. Itse asiassa ASML toimitti juuri ensimmäisen High-NA EUV -mallinsa (EXE:5200) vuonna 2025 ja kertoo sen tuovan 60 % tuottavuusparannuksen nykyisiin EUV-laitteisiin verrattuna – noin 175 kiekkoa/tunti, mikä on samaa tasoa kuin DUV-skannerit ^[71].
Viot & saanto: Koska EUV käyttää heijastavia maskeja ja toimii nanomittakaavassa, vikojen hallinta on erittäin tärkeää. Pienet maskiviot tai partikkelit voivat tulostua kiekolle, ja EUV-valoresistit sekä prosessi voivat aiheuttaa satunnaisia vikoja (stokastisia ongelmia), ellei niitä optimoida. Edistysaskeleet: Alalle kehitettiin suojaavat maskipelliklet EUV:lle (pitämään partikkelit poissa maskilta) monien iteraatioiden jälkeen. Valoresistien kemia kehittyy myös – uudet resistimateriaalit ja alakerrostekniikat ovat parantaneet herkkyyttä ja reunan karheutta. Piirivalmistajat raportoivat, että alkuvaiheen EUV-saantoon liittyvät ongelmat on suurelta osin ratkaistu, ja vikatiheydet ovat verrattavissa aiempiin solmuihin ^[72]. Tutkijat jatkavat kuitenkin resisti- ja maskiteknologian kehittämistä (mukaan lukien metallioksidiresistien ja muiden uusien lähestymistapojen tutkiminen EUV:lle).
Virrankulutus: Kuten mainittiin, EUV-skannerit kuluttavat paljon sähköä – kukin voi käyttää noin megawatin verran sähköä laserlähteen, tyhjiöpumppujen ja jäähdytysjärjestelmien välillä ^[73]. Tämä kasvattaa huomattavasti käyttökustannuksia ja lisää puolijohdetehtaiden ympäristöjalanjälkeä. Edistysaskeleet: Vaihtoehtoiset litografiamenetelmät, kuten Nanoimprint, pyrkivät vähentämään energiankulutusta radikaalisti (Canonin mukaan jopa 90 % vähemmän energiaa) ^[74]. Myös EUV-tekniikassa insinöörit kehittävät tehokkaampia lähteitä (esim. suurempi lasertehon muuntotehokkuus EUV-valoksi), jotta tulevaisuuden laitteet tuottaisivat enemmän valoa pienemmällä syöttöteholla. Jopa pienet parannukset lähteen hyötysuhteessa tai peilien heijastavuudessa voivat tuoda merkittäviä energiansäästöjä tuhansien kiekkojen tuotannossa.
Optisen resoluution rajat: Jopa 13,5 nm EUV saavuttaa lopulta skaalausrajat. Nykyiset EUV-laitteet (0,33 NA) pystyvät vaivatta noin 30 nm:n viivaväleihin; tätä pienempiin tarvitaan moninkertaista kuviointia tai High-NA EUV -tekniikkaa noin 2 nm:n solmulle ja sen alle. Edistysaskeleet: High-NA EUV on käytännössä seuraava suuri askel – kasvattamalla linssin NA-arvoa 0,55:een uudella optisella suunnittelulla (mikä vaatii huomattavasti uuden 6-inch mask size -koon ja täysin uuden laitealustan), nämä järjestelmät pystyvät erottamaan noin 30–40 % pienempiä yksityiskohtia ^[75]. ASML:n mukaan High-NA EUV voi lähes triple transistor density siruilla mahdollistamalla hienommat rakenteet ja tiheämmät viivavälit ^[76]. Ensimmäiset High-NA EUV -laitteet otetaan koekäyttöön Intelillä arviolta vuosina 2025–2026, ja laajamittainen käyttö alkaa noin vuonna 2028 ^[77]. Tämä kehitys vie alan 2 nm, 1,5 nm ja 1 nm solmuihin (nimityksistä huolimatta näissä käytetään viivavälejä, jotka ovat kymmeniä nanometrejä). Tämän jälkeen saatetaan tarvita muita lähestymistapoja (kuten “Beyond EUV” -konseptit vielä lyhyemmillä aallonpituuksilla tai vallankumoukselliset kuviointimenetelmät).
Vaihtoehtoiset litografiatekniikat: Kriittisen litografiakapasiteetin keskittyminen yhteen yritykseen (ASML) ja yhteen teknologiaan (EUV) on herättänyt kiinnostusta vaihtoehtoisiin tai täydentäviin tekniikoihin. Edistysaskeleet: Canonin NIL:n lisäksi kehitetään Directed Self-Assembly (DSA) -menetelmää, jossa käytetään erityisiä materiaaleja, jotka muodostavat itsestään erittäin hienoja kuvioita ja voivat täydentää litografiaa tietyissä rakenteissa. Toinen lähestymistapa on monifotoni- tai kvanttilitografia, joka on vielä pääosin akateemista tutkimusta. E-sädelitografia (suorakirjoitus elektronisuihkulla) on käytössä maskien valmistuksessa ja prototyyppien teossa, mutta se on liian hidas massatuotantoon. Yritykset kuitenkin tutkivat monisäde-e-sädelaitteita erikoiskuviointiin. Jos nämä vaihtoehdot kehittyvät, ne voisivat tulevaisuudessa keventää optisen litografian kuormaa tai alentaa joidenkin kerrosten kustannuksia. Toistaiseksi ne ovat ”kiva olla olemassa” -tutkimusta, kun taas optinen UV-litografia on edelleen korvaamaton perusta.

Asiantuntijanäkemykset ja tulevaisuuden näkymät

Alan asiantuntijoiden yhteinen näkemys on, että ultraviolettilitografia tulee jatkossakin olemaan siruvalmistuksen kulmakivi, joskin jatkuvasti kehittyen. ”Kehitämme ja insinöörimme työskentelevät jatkuvasti… meille ja asiakkaillemme oppimiskäyrä on jyrkkä,” totesi ASML:n edustaja High-NA EUV:n käyttöönotosta, korostaen että jokainen uusi harppaus (kuten High-NA) vaatii laajaa hienosäätöä ^[78]. Analyytikot muistuttavat myös, että kustannustehokkuus ohjaa käyttöönottoa: ”Vaikka jotkut siruvalmistajat voivat ottaa [High-NA EUV:n] käyttöön aiemmin teknologiajohtajuuden saavuttamiseksi, suurin osa ei ota sitä käyttöön ennen kuin se on taloudellisesti järkevää,” totesi Jeff Koch SemiAnalysisilta, ennustaen että useimmat odottavat noin vuoteen 2030, jolloin sen etu oikeuttaa kustannukset^[79]. Vastauksena ASML:n toimitusjohtaja Peter Wennink vakuuttaa, että High-NA osoittaa arvonsa nopeammin: ”Kaikki, mitä näemme asiakkaiden kanssa, osoittaa että High-NA on heille halvempi” seuraavan tason skaalaamisessa ^[80]. Tämä optimistinen näkemys viittaa siihen, että monimutkaisuuden kasvaessa edistyneempi litografia voi itse asiassa alentaa kokonaiskustannuksia poistamalla ylimääräisiä prosessivaiheita.

ASML:n keskeistä roolia ei voi liioitella – eivätkä hallitukset ole tätä huomanneet. Maailmassa, jossa huippuluokan sirut tuovat taloudellisia ja sotilaallisia etuja, litografialaitteista on tullut strateginen voimavara. Alankomaiden hallitus (Yhdysvaltojen tuella) on rajoittanut tiukasti ASML:n kehittyneiden laitteiden vientiä Kiinaan ^[81], mikä tähtää “Pekingin puolijohdeambitioiden estämiseen”^[82]. Tämä on johtanut maailmanlaajuisen sirutoimitusketjun jakautumiseen: kehittyneimpiä logiikkasiruja valmistetaan tällä hetkellä vain muutamassa paikassa (Taiwan, Etelä-Korea ja pian Yhdysvallat TSMC/Intel-tehtaiden kautta), kaikki ASML:n EUV-koneilla. Kiina investoi voimakkaasti kuroakseen kiinni vanhemmissa solmuissa ja kehittääkseen kotimaista litografiaa, mutta asiantuntijat arvioivat, että tasavertaisuuden saavuttaminen voi kestää monta vuotta – jos koskaan – johtuen jyrkistä osaamis- ja IP-esteistä.

Samaan aikaan UV-litografialaitteiden kysyntä kasvaa voimakkaasti puolijohdebuumin myötä. Tekoälyn ja korkean suorituskyvyn laskennan kasvu ajaa johtavia tehtaita laajentamaan kapasiteettiaan. ASML:n EUV-laitteiden tilauskirjat ovat ennätyskorkealla – eräällä viimeisimmistä neljänneksistä tilaukset paisuivat 10 miljardiin dollariin, pääosin tulevia EUV- ja High-NA-järjestelmiä varten ^[83]. Yhtiö ennustaa, että EUV-liikevaihto kasvaa noin 40–50 % vuonna 2025 ^[84], mikä auttaa kasvattamaan kokonaismyyntiä, vaikka muisti- tai Kiina-kysyntä hidastuisi ^[85]. Toisin sanoen, huipputason litografiamarkkina on vahva ja kasvava, ja ASML odottaa toimittavansa kymmeniä lisää EUV-yksiköitä vuosittain. Vuoteen 2030 mennessä High-NA EUV on todennäköisesti yleistynyt, ja keskustelu siirtyy siihen, mitä EUV:n aikakauden jälkeen tulee.

Mitä seuraavaksi voisi tapahtua? Jotkut tutkijat puhuvat “Beyond EUV” – ehkä käytetään vielä lyhyempiä aallonpituuksia pehmeän röntgensäteilyn alueella (~6–8 nm) tai elektronien/ionien projektiolitografiaa – mutta jokainen näistä poluista kohtaa valtavia fysiikan haasteita. Toistaiseksi alan strategiana on ottaa EUV:sta kaikki irti: ensin ottamalla käyttöön High-NA EUV vielä 1–2 sukupolveksi kutistusta, ja yhdistämällä EUV älykkääseen prosessi-integraatioon (kuten chiplet-arkkitehtuureihin ja 3D-pinoamiseen, jotka vähentävät tarvetta yksittäisille 2D-kutistuksille). Litografia tulee pysymään eri tekniikoiden yhdistelmänä: DUV ei ole katoamassa (sitä käytetään rinnakkain EUV:n kanssa), ja uudet menetelmät kuten nanoimprint saattavat löytää oman paikkansa täydentämään valtavirran prosesseja, jos ne osoittautuvat toimiviksi. Mutta mikä tahansa radikaali siirtymä pois optisesta litografiasta vaatisi todennäköisesti myös paradigman muutoksen sirusuunnittelussa – jotain, mitä ei vielä ole näköpiirissä suurivolyymisessa valmistuksessa.

TSMC:n puheenjohtajan Mark Liun sanoin puolijohdeteollisuus on “työskennellyt tunnelissa” selkeän tavoitteen kanssa vuosikymmeniä: kutista, kutista, kutista ^[86]. Ultraviolettilitografia on ollut valo, joka on ohjannut tätä tunnelia. Se alkoi elohopealampuista ja alkeellisesta UV:sta, eteni eksimeeri deep-UV-lasereihin, jotka palvelivat meitä yli 20 vuotta ^[87], ja on nyt saavuttanut extreme-UV-aikakauden, joka jatkaa tunnelia eteenpäin. Matka on ollut kaikkea muuta kuin helppo – täynnä voiton hetkiä ja usein epäilyksiä – mutta tulos on hämmästyttävä: miljardeja rakenteita, jotka ovat vain kymmenien atomien levyisiä, kuvioitu virheettömästi suurille kiekoille, mahdollistaen laskentatehoja, jotka tuntuivat mahdottomilta vielä sukupolvi sitten.

Kun katsomme eteenpäin, mikroprosessorien kehitys on kietoutunut litografiaan tiiviimmin kuin koskaan. Seuraavien CPU:iden, GPU:iden ja AI-kiihdyttimien suorituskyky ja ominaisuudet määräytyvät pitkälti sen mukaan, kuinka hienosti ja luotettavasti voimme tulostaa niiden rakenteet. Ultraviolettilitografia on päätyökalu, joka mahdollistaa tämän. Alan asiantuntijat ovat optimistisia, että jatkuvilla innovaatioilla – High-NA-optisista älykkäämpään ohjelmistoon ja ehkä joillain laatikon ulkopuolisilla ideoilla kuten NIL tai DSA – litografia jatkaa kehittymistään. ASML:n toimitusjohtaja jopa ehdottaa, että EUV:n ja sen laajennusten tiekartta on vahva seuraavaksi vuosikymmeneksi, antaen siruvalmistajille selkeän polun jatkaa kehitystä. Globaalit markkinatrendit osoittavat tervettä kasvua ja kovaa kilpailua, mutta myös keskittymistä muutaman keskeisen teknologian ja toimittajan ympärille.

Yhteenvetona: ultraviolettilitografian maailma on huipputason fysiikan ja insinööritaidon fuusio yhdistettynä suurten panosten talouteen ja strategiaan. Se toimii näkymättömän UV-valon alueella, mutta sen vaikutus näkyy kirkkaasti yhä tehokkaampina mikroprosessoreina vuosi toisensa jälkeen. Kun seuraavan kerran kuulet uudesta “nanometrin” siru-innovaatiosta, muista ultraviolettivallankumous, joka työskentelee kulissien takana. Syvästä UV:sta extreme-UV:hen ja siitä eteenpäin, nämä teknologiat todella muovaavat mikrochippien tulevaisuutta – kaivertaen seuraavat rivit ihmiskunnan teknologisen kehityksen tarinaan, yksi fotonin välähdys kerrallaan.

Lähteet

C. Thompson, “Inside the machine that saved Moore’s Law,” MIT Technology Review, Oct. 27, 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, Mar. 28, 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Exploring the Future of EUV Lithography and Beyond,” Nov. 4, 2024 ^[93]
T. Sterling, “Intel orders ASML system for well over $340 mln in quest for chipmaking edge,” Reuters, Jan. 19, 2022 ^[94]
T. Sterling, “ASML’s next chip challenge: rollout of its new $350 mln ‘High NA EUV’ machine,” Reuters, Feb. 9, 2024 ^[95]
TrendForce News, “ASML Confirms First High-NA EUV EXE:5200 Shipment…,” Jul. 17, 2025 ^[96]
T. Sterling, “Dutch government excludes most ASML sales to China from export data,” Reuters, Jan. 17, 2025 ^[97]
A. Shilov, “Uusi ’leimaava’ sirunvalmistustekniikka käyttää 90 % vähemmän energiaa kuin EUV,” Tom’s Hardware, 31. tammikuuta 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, “Samsung Electronics aloittaa massatuotannon uudella EUV-linjalla,” helmikuu 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “7nm FinFET Plus (N7+) -teknologia – Ensimmäinen, joka käyttää EUV:ta (2019)” ^[100]
S&P Global Market Intelligence, “ASML valmiina tekoälyn vauhdittamaan elpymiseen, kun EUV- ja High-NA-kysyntä kasvaa,” syyskuu 2023 ^[101]

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

Watch this video on YouTube.

References