La rivoluzione ultravioletta: all’interno delle invisibili macchine da 150 milioni di dollari che stanno plasmando il futuro dei microchip

Le macchine per la litografia ultravioletta costano più di 150 milioni di dollari ciascuna e sono grandi quanto un autobus.
Gli osservatori del settore soprannominano l’ultima generazione di questi strumenti “le macchine che hanno salvato la legge di Moore” perché rendono possibili i moderni processori all’avanguardia.
ASML è l’unico fornitore di sistemi di litografia EUV, con strumenti EUV che costano circa 150–180 milioni di dollari ciascuno.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) ha implementato per la prima volta l’EUV in produzione di massa con il suo processo 7nm+ (N7+) nel 2019.
La litografia a ultravioletti estremi utilizza luce a 13,5 nm prodotta sparando un laser ad alta potenza su gocce di stagno per creare plasma che emette radiazione EUV, con consumi degli strumenti superiori a 1 megawatt.
ASML ha spedito il primo strumento EUV High-NA, EXE:5200, nel 2025, che aumenta l’apertura numerica a 0,55 e punta a circa 175 wafer all’ora.
I primi chip commerciali EUV sono stati lanciati nel 2019, con il processo 7nm+ (N7+) di TSMC e il 7LPP di Samsung che utilizzano EUV.
I controlli all’export impediscono ad ASML di vendere EUV alla Cina, mentre le vendite ASML in Cina nel 2024 sono state di circa 7 miliardi di dollari, principalmente da strumenti DUV.
Nikon e Canon si sono ritirate dallo sviluppo EUV; Nikon continua a fornire scanner a immersione da 193 nm, mentre Canon si concentra sulla litografia a nanoimpronta NIL con spedizioni di prova nel 2024.
La DRAM Samsung di classe 14 nm utilizza EUV su diversi strati e Micron prevede l’EUV per il suo prossimo nodo DRAM.

Ogni microprocessore moderno – dal chip nel tuo smartphone alle CPU che alimentano l’IA nel cloud – nasce sotto la luce ultravioletta. In effetti, alcune delle macchine di produzione più avanzate al mondo proiettano laser ultravioletti invisibili su wafer di silicio per incidere i circuiti su scala nanometrica che fanno funzionare i microchip. Queste macchine costano più di $150 milioni ciascuna, sono grandi quanto un autobus e operano con una complessità quasi fantascientifica – eppure sono i motori silenziosi dietro la legge di Moore e il continuo progresso verso processori più veloci, piccoli ed efficienti ^[1], ^[2]. Gli osservatori del settore hanno persino soprannominato l’ultima generazione di questi strumenti “le macchine che hanno salvato la legge di Moore”, perché senza di esse, produrre chip all’avanguardia sarebbe praticamente impossibile ^[3]. Questo rapporto esplora il mondo della litografia ultravioletta – sia nella sua forma tradizionale deep ultraviolet (DUV) che in quella all’avanguardia extreme ultraviolet (EUV) – spiegando come funziona, perché è così fondamentale per lo sviluppo dei microprocessori e quali sono le sue prospettive future.

La litografia ultravioletta potrebbe sembrare un’ingegneria esoterica, ma il suo impatto è molto reale e visibile nella nostra vita quotidiana. Stampando schemi di transistor sempre più fini sul silicio, la litografia UV consente direttamente il ritmo straordinario di miglioramento dell’industria tecnologica. Come ha detto senza mezzi termini un analista tecnologico, “La legge di Moore sta praticamente crollando, e senza questa macchina, è finita. Non puoi davvero produrre processori all’avanguardia senza EUV.”^[4] In altre parole, il futuro dei microchip – e di tutti i dispositivi e le innovazioni che essi alimentano – ora dipende dal saper sfruttare la luce a lunghezze d’onda minuscole. Di seguito, analizzeremo come funziona questa stampa basata sulla luce, come si è evoluta fino all’attuale tecnologia EUV, chi sono i principali attori (dal produttore olandese di strumenti ASML ai giganti dei chip come TSMC, Samsung e Intel), le recenti scoperte (come le macchine EUV di nuova generazione e le tecniche alternative), e cosa dicono gli esperti del settore sul futuro che ci attende.

Cos’è la litografia ultravioletta?

Alla base, la litografia nella fabbricazione dei chip è simile a una fotografia sul silicio. Una fetta di silicio viene ricoperta con un materiale fotosensibile (fotoriserva), e una macchina utilizza luce focalizzata per proiettare intricati schemi di circuiti su quella fetta tramite una maschera simile a uno stencil. Gli schemi corrispondono ai minuscoli transistor e ai collegamenti che compongono un microprocessore. Ovunque la luce colpisca, modifica chimicamente la resistenza in modo che quelle regioni possano essere incise o lavorate, mentre le aree coperte restano protette. Ripetendo questo processo strato dopo strato con estrema precisione, i produttori di chip costruiscono la complessa architettura di un moderno circuito integrato.

La chiave per la risoluzione in questo processo di “stampa” è la lunghezza d’onda della luce. Proprio come un pennello più fine permette a un artista di dipingere dettagli più piccoli, una lunghezza d’onda della luce più corta permette ai produttori di chip di incidere caratteristiche più fini. Per decenni, l’industria dei semiconduttori ha costantemente puntato verso lunghezze d’onda più corte nello spettro elettromagnetico per stampare transistor sempre più piccoli ^[5]. I primi chip degli anni ’60 utilizzavano luce visibile e UV lunga (g-line a 436 nm, i-line a 365 nm), ma negli anni ’90 lo stato dell’arte si è spostato nella gamma dell’ultravioletto profondo con potenti laser ad eccimeri a 248 nm (KrF) e successivamente 193 nm (ArF)^[6]. La luce a 193 nm – circa 1/5 della lunghezza d’onda della luce visibile – è diventata il cavallo di battaglia per la produzione di chip durante gli anni 2000 e 2010. Questa litografia UV profonda (DUV) ha permesso caratteristiche minime dell’ordine di ~50 nm e inferiori, soprattutto dopo l’introduzione di tecniche come lenti ad immersione ed esposizioni multiple ^[7]. In effetti, la “litografia laser ad eccimeri” a 248 nm e 193 nm ha avuto così tanto successo che ha sostenuto la Legge di Moore per circa due decenni, permettendo alle dimensioni dei transistor di continuare a ridursi e alle densità dei chip di continuare a raddoppiare secondo programma ^[8].

Tuttavia, verso la fine degli anni ’90 e i primi anni 2000, gli ingegneri sapevano di essere vicini a un muro della lunghezza d’onda con la luce a 193 nm ^[9]. Per modellare caratteristiche molto più piccole di ~40–50 nm, la litografia a 193 nm dovette ricorrere a metodi sempre più complessi: trucchi ottici esotici, passaggi di multi-patterning (esponendo lo stesso strato più volte con maschere spostate per ottenere una spaziatura effettiva più fine), e altri ingegnosi espedienti ^[10], ^[11]. Queste tecniche hanno prolungato la vita degli strumenti DUV (infatti, i produttori di chip hanno spinto la litografia a 193 nm fino a nodi commercializzati come 10 nm o addirittura 7 nm utilizzando doppio, triplo o quadruplo patterning), ma al costo di enorme complessità, resa inferiore e costi di produzione alle stelle. A metà degli anni 2010, era chiaro che la DUV tradizionale faticava ad andare oltre – l’industria aveva bisogno di un salto verso una lunghezza d’onda più corta della luce per mantenere la Legge di Moore in carreggiata ^[12].

Litografia Deep Ultraviolet (DUV): Il Cavallo di Battaglia

La litografia Deep UV (che utilizza laser da ~248 nm e 193 nm) è stata la tecnologia di riferimento per la fabbricazione di chip per molte generazioni. Gli strumenti DUV sono essenzialmente sistemi di imaging proiettato estremamente precisi: fanno brillare un laser UV attraverso una fotomaschera modellata e una serie di lenti di riduzione per proiettare un’immagine ridotta sul wafer di silicio. I sistemi moderni a 193 nm riempiono persino lo spazio tra lente e wafer con acqua ultrapura (litografia a immersione) per aumentare efficacemente l’apertura numerica della lente e risolvere caratteristiche più piccole ^[13]. Usando questi metodi, la litografia a immersione a 193 nm è diventata capace di stampare caratteristiche ben al di sotto della sua lunghezza d’onda nominale – ma solo impiegando tecniche di miglioramento della risoluzione ed esposizioni ripetute. Ad esempio, prima dell’arrivo dell’EUV, i chip a 7 nm di ultima generazione venivano realizzati con DUV utilizzando quattro passaggi di mascheratura separati per un singolo strato (quadruplo patterning) – un esercizio di allineamento di precisione incredibilmente complesso.

La litografia DUV è altamente matura e affidabile. Gli strumenti DUV di aziende come ASML, Nikon e Canon gestiscono ancora la maggior parte degli strati nella produzione di chip oggi (anche nelle fabbriche più avanzate, solo gli strati più critici utilizzano l’EUV, mentre gli strati meno critici continuano a essere realizzati con esposizioni DUV multiple). Queste macchine sono anche significativamente più economiche rispetto agli ultimi strumenti EUV: uno scanner DUV a immersione di fascia alta può costare circa 50–100 milioni di dollari, mentre uno strumento EUV supera i 150 milioni di dollari ^[14]. Di conseguenza, gli strumenti DUV rimangono indispensabili non solo per i chip di generazione precedente (dove le dimensioni delle caratteristiche sono maggiori e più facili da stampare), ma anche come complemento all’EUV nei processi avanzati. In effetti, le vendite di DUV costituiscono ancora la maggior parte delle unità di apparecchiature per litografia spedite ogni anno ^[15]. I produttori di chip dispongono di una vasta base installata di scanner DUV e di un ampio know-how nel loro utilizzo.

Tuttavia, nonostante i continui perfezionamenti, i 193 nm DUV hanno raggiunto un limite fondamentale su quanto si potesse ridurre ulteriormente senza sforzi insostenibili. La risoluzione pratica nella litografia ottica segue approssimativamente il criterio di Rayleigh: dimensione minima della caratteristica ≈ k₁ · (λ/NA), dove λ è la lunghezza d’onda e NA è l’apertura della lente. Con λ fissata a 193 nm e NA al massimo intorno a 1,35 (immersione), i produttori di chip hanno ridotto k₁ ai suoi limiti teorici usando trucchi computazionali – ma per continuare a ridurre la dimensione delle caratteristiche, era necessario ridurre λ stessa. Intorno al 2019, fonderie leader come TSMC e Samsung hanno introdotto commercialmente una nuova sorgente luminosa per la litografia a 13,5 nm di lunghezza d’onda – quasi 15 volte più corta dei 193 nm DUV ^[16]. Questo ha segnato l’inizio dell’era della litografia a ultravioletto estremo.

Il passaggio alla litografia a ultravioletto estremo (EUV)

La litografia Extreme Ultraviolet (EUV) utilizza una luce con una lunghezza d’onda drasticamente più corta – 13,5 nm, al confine tra UV e raggi X – per esporre i chip. Passando a questo “pennello” molto più fine, l’EUV può stampare transistor e caratteristiche molto più piccoli con una singola esposizione, evitando molti dei complessi passaggi di multi-patterning richiesti dal DUV nei nodi avanzati ^[17]. In termini pratici, la litografia EUV ha permesso la produzione di massa di chip alle generazioni tecnologiche da 7 nm, 5 nm e 3 nm, con molti meno passaggi di processo e rese migliori rispetto a un approccio completamente DUV. Ad esempio, la TSMC di Taiwan ha utilizzato l’EUV su alcuni strati critici a partire dal suo processo 7 nm+ (N7+) nel 2019 – il primo processo commerciale a utilizzare l’EUV ^[18] – e poi in modo esteso per i suoi nodi a 5 nm che alimentano processori come i chip per smartphone Apple A15 e A16 Bionic ^[19]. Allo stesso modo, Samsung ha iniziato la produzione di massa con EUV all’inizio del 2019 con il suo processo 7LPP e da allora ha implementato l’EUV per i 5 nm e persino nella fabbricazione di chip di memoria^[20], ^[21]. Queste mosse sono state rivoluzionarie: utilizzando la luce a 13,5 nm, i produttori di chip potevano stampare caratteristiche con esposizioni a single-pattern che prima richiedevano più passaggi DUV, semplificando la produzione e consentendo una densità di transistor mai vista prima^[22].

Tuttavia, la litografia EUV non è stata una rivoluzione facile. Ci sono voluti oltre due decenni di ricerca e circa 9–10 miliardi di dollari in spese di R&S per rendere l’EUV praticabile per la produzione su larga scala ^[23]^[24]. Le sfide erano immense perché la luce a 13,5 nm si comporta in modo molto diverso rispetto a quella a 193 nm. Per cominciare, nessun materiale è trasparente a 13,5 nm – non si possono usare lenti rifrattive o maschere di vetro convenzionali. Invece, i sistemi EUV utilizzano un sistema ottico interamente a specchi: una serie di specchi multistrato finemente lavorati con rivestimenti speciali che riflettono la luce a 13,5 nm (ogni specchio riflette solo una parte della luce, quindi con più specchi l’intensità cala drasticamente) ^[25]. Anche la fotomaschera è un substrato riflettente a specchio invece che una lastra di vetro trasparente. Tutto questo deve funzionare in vuoto (l’aria assorbirebbe l’EUV). In breve, gli scanner EUV sono una completa riprogettazione del sistema ottico rispetto agli strumenti DUV, coinvolgendo ottiche esotiche e precisione estrema.

Poi c’è la sorgente luminosa: come si genera anche solo la luce ultravioletta ad alta intensità di 13,5 nm? La risposta sembra fantascienza: gli strumenti EUV creano la luce sparando un laser ad alta potenza a impulsi su minuscole gocce di stagno fuso, 50.000 volte al secondo ^[26], ^[27]. Ogni impulso laser vaporizza una goccia di stagno in un plasma estremamente caldo che emette radiazione EUV – essenzialmente una mini-esplosione simile a una stella che avviene all’interno della macchina. Questi lampi di plasma producono la desiderata luce a 13,5 nm insieme a molta altra radiazione e detriti indesiderati, quindi il sistema deve filtrare e raccogliere la lunghezza d’onda giusta e schermare tutto il resto. La luce EUV viene poi focalizzata dagli specchi ottici e diretta sul wafer secondo schemi precisi. È un processo estremamente inefficiente in termini di generazione della luce (gran parte dell’energia viene persa come calore), motivo per cui il laser che alimenta la sorgente deve essere incredibilmente potente. La sorgente luminosa di uno scanner EUV può consumare dell’ordine di >1 megawatt di potenza per fornire abbastanza flusso di fotoni EUV per la produzione su larga scala ^[28]. Al contrario, un laser ad eccimeri da 193 nm utilizza solo una piccola frazione di quella potenza. Questo spiega perché gli strumenti EUV hanno enormi esigenze di potenza e raffreddamento, e perché tecniche alternative come la litografia a nanoimpronta (che non utilizza affatto laser) vantano un risparmio energetico di circa il 90% ^[29].

La complessità non finisce qui. Poiché i fotoni EUV sono così energetici, possono indurre sottili effetti stocastici nel fotoresist (variazioni casuali che possono causare difetti se non mitigate), e le maschere EUV non possono essere facilmente protette dalle solite pellicole protettive (lo sviluppo di pellicole protettive speciali per EUV è stato un altro sforzo durato anni). Ogni parte del sistema – dalle camere a vuoto, ai posizionatori del wafer a 6 gradi di libertà che si muovono a metri al secondo, fino all’ispezione dei difetti di quegli specchi multistrato – ha spinto i limiti dell’ingegneria. “È una tecnologia molto difficile – in termini di complessità probabilmente è nella categoria del Progetto Manhattan,” ha commentato il direttore della litografia di Intel, illustrando quanto sia stata impegnativa da sviluppare la EUV ^[30].

Per molti anni, molti esperti hanno dubitato che l’EUV avrebbe mai funzionato in tempo. I principali attori Nikon e Canon hanno abbandonato la ricerca sull’EUV dopo aver incontrato troppi ostacoli, lasciando ASML (Paesi Bassi) come l’unica azienda a portare avanti la tecnologia^[31]^[32]. La scommessa di ASML alla fine ha dato i suoi frutti – ma non senza aiuto. Nel 2012, riconoscendo l’importanza strategica dell’EUV, i grandi produttori di chip Intel, TSMC e Samsung hanno investito congiuntamente circa 4 miliardi di dollari in ASML per accelerare lo sviluppo dell’EUV ^[33]. Nel 2017, ASML ha finalmente presentato uno scanner EUV pronto per la produzione (modello NXE:3400B), e nel 2019 i primi chip commerciali realizzati con EUV sono stati lanciati ^[34]^[35]. Gli osservatori del settore lo hanno salutato come un momento spartiacque – la tanto attesa rivoluzione EUV era arrivata giusto in tempo per estendere la roadmap dei semiconduttori. Come ha osservato MIT Technology Review, lo strumento EUV di ASML è “un dispositivo ambito… utilizzato per realizzare caratteristiche dei microchip piccole fino a 13 nanometri… pieno di 100.000 minuscoli meccanismi… servono quattro 747 per spedirne uno a un cliente” ^[36]. In breve, gli scanner EUV sono meraviglie dell’ingegneria moderna che portano la luce ultravioletta a una scala e complessità mai viste prima.

Perché la litografia UV è importante per i microprocessori

Il vantaggio di tutta questa complessità è semplice: transistor più piccoli e prestazioni del chip più elevate. Stampando caratteristiche più fini, i produttori di chip possono inserire più transistor nella stessa area (il che di solito significa maggiore potenza di calcolo o costo inferiore per chip) e ridurre le capacità elettriche e le distanze che i segnali devono percorrere (il che significa velocità di commutazione più elevate e minore consumo energetico). Questa è l’essenza della Legge di Moore – ridurre le dimensioni dei transistor per inserirne di più in ogni generazione di chip – e la litografia è il fattore abilitante fondamentale di questo progresso ^[37], ^[38]. Quando senti parlare di un nuovo chip per smartphone realizzato con un “processo a 3 nm” o di una CPU per server con “tecnologia EUV a 5 nm”, questi numeri riflettono in gran parte le capacità della litografia avanzata di definire caratteristiche estremamente piccole (anche se i nomi dei nodi sono in parte marketing, essi correlano con i miglioramenti di densità resi possibili dall’EUV).

L’importanza della litografia ultravioletta è forse meglio illustrata considerando cosa accadrebbe senza questi progressi. Se il settore avesse continuato solo con il DUV a 193 nm, i produttori di chip avrebbero forse trovato comunque il modo di realizzare chip molto potenti – ma avrebbero avuto bisogno di così tanti passaggi di lavorazione ripetitivi (e di una complessità che riduce il rendimento) che i costi sarebbero saliti alle stelle e i progressi si sarebbero drasticamente rallentati. Infatti, verso la metà degli anni 2010, alcuni prevedevano la fine imminente della Legge di Moore perché la litografia ottica stava raggiungendo il suo limite. L’EUV è arrivata giusto in tempo per fornire una nuova ancora di salvezza. Ripristinando una modellazione più semplice a singola esposizione allo stato dell’arte, l’EUV ha esteso la roadmap dello scaling per almeno qualche generazione ancora. Molti dei chip più avanzati di oggi devono la loro esistenza all’EUV. Ad esempio, i più recenti processori per smartphone della serie A e i chip Mac della serie M di Apple sono prodotti da TSMC utilizzando processi EUV a 5 nm, consentendo conteggi di transistor di decine di miliardi e grandi salti in velocità ed efficienza rispetto alle generazioni precedenti ^[39]. Anche le CPU e GPU Ryzen di AMD, molte delle quali sono realizzate su nodi EUV TSMC a 7 nm o 5 nm, beneficiano dell’aumento di densità e del risparmio energetico. Persino i più avanzati acceleratori AI e processori per data center – quelli che alimentano i modelli AI su larga scala – si affidano a processi EUV a 5 nm/4 nm per inserire densamente motori di calcolo matriciale e gestire la dissipazione termica.

Non si tratta solo di chip logici. I chip di memoria stanno anch’essi beneficiando dei progressi della litografia UV. I produttori di DRAM ad alte prestazioni hanno iniziato a utilizzare l’EUV per alcuni strati critici nelle loro ultime generazioni (ad esempio, la DRAM Samsung classe 14 nm utilizza l’EUV su diversi strati) per aumentare la densità di bit e migliorare le rese ^[40]. Anche Micron sta introducendo l’EUV nel suo prossimo nodo DRAM. Più strati EUV nella memoria si traducono in più gigabit di storage per chip e un costo per bit inferiore, il che significa in definitiva più memoria nei tuoi dispositivi allo stesso prezzo. In effetti, il CEO di ASML Peter Wennink ha sottolineato che la crescente domanda di AI e dati sta spingendo i produttori di memoria ad adottare rapidamente l’EUV – “I produttori di DRAM stanno usando più strati EUV sugli attuali e futuri nodi”, ha osservato, il che sta aumentando la domanda di questi strumenti in tutto il settore ^[41].

In breve, la litografia UV influisce direttamente sulle capacità dei microprocessori. La possibilità di fabbricare transistor più piccoli non solo consente di inserire più core o più cache su un chip, ma può anche ridurre la potenza richiesta per ogni commutazione di transistor. Ecco perché ogni nuova generazione di processo spesso porta a un guadagno prestazionale del 15–30% e a una riduzione della potenza del 20–50% a parità di progetto, oppure consente il raddoppio o più della densità dei transistor. Ad esempio, il passaggio di TSMC da un processo a 7 nm (principalmente DUV) a 5 nm (EUV) ha offerto circa un aumento di 1,8× della densità logica e ~15% di incremento della velocità a iso-potenza ^[42]. Questi miglioramenti si traducono in smartphone più veloci, data center più efficienti e progressi nei compiti di calcolo ad alte prestazioni. La litografia ultravioletta è la mano invisibile che scolpisce questi miglioramenti nel silicio. Come ha riassunto un direttore di ricerca del settore: “Senza EUV, non puoi davvero realizzare alcun processore all’avanguardia”^[43] – è così fondamentale per restare sulla curva del progresso.

Stato dell’arte attuale e principali protagonisti

A partire dal 2025, la litografia ultravioletta è al centro di ogni fabbrica di chip avanzata, ed è dominata da pochi attori chiave e tecnologie. Ecco uno sguardo al panorama attuale e alle principali forze che lo guidano:

ASML (Paesi Bassi) – Il perno della litografia. ASML è l’unico fornitore di sistemi di litografia EUV a livello globale ^[44]. Alla fine degli anni 2010 è diventata la prima (e unica) azienda a commercializzare scanner EUV, dopo che i concorrenti si sono ritirati ^[45]. I suoi strumenti EUV (ognuno dei quali costa circa 150–180 milioni di dollari ^[46], ^[47]) sono utilizzati da tutti i produttori di chip all’avanguardia. ASML produce anche scanner DUV (dove compete con Nikon/Canon per la quota di mercato). Grazie all’EUV, ASML è cresciuta fino a diventare una delle aziende di apparecchiature per semiconduttori più preziose al mondo – detenendo di fatto un monopolio sulla tecnologia di litografia più avanzata. Una singola fabbrica all’avanguardia può aver bisogno di una flotta di 10–20 macchine EUV ASML, rappresentando un investimento di diversi miliardi di dollari. Nel 2021, oltre 100 strumenti EUV erano già in uso ^[48], e quel numero continua a crescere man mano che TSMC, Samsung e Intel espandono l’uso dell’EUV. (In particolare, i controlli all’esportazione attualmente impediscono ad ASML di vendere macchine EUV alla Cina, a causa della loro importanza strategica ^[49].)
TSMC (Taiwan) – Pioniere delle fonderie nell’EUV. TSMC è il più grande produttore mondiale di chip conto terzi ed è stata la prima a implementare l’EUV nella produzione di massa (il suo nodo 7nm+ “N7+” nel 2019 è stato il primo processo EUV del settore) ^[50]. Da allora, TSMC ha sfruttato ampiamente l’EUV per la sua generazione a 5 nm (2019–2020) e per i nodi a 4 nm/3 nm, producendo chip per Apple, AMD, Nvidia e molti altri con rendimenti di livello mondiale. Utilizzando l’EUV su diversi strati critici, TSMC ha raggiunto gli aumenti di densità che definiscono questi nodi. La leadership di TSMC nel padroneggiare l’EUV in anticipo è una delle principali ragioni per cui ha superato Intel nella tecnologia di processo negli ultimi anni. Guardando al futuro, TSMC prevede di continuare a utilizzare l’attuale EUV (0,33 NA) fino ai suoi nodi a 3 nm e persino 2 nm, e sta valutando l’EUV di nuova generazione per oltre ^[51]. (Curiosamente, TSMC ha indicato che potrebbe non affrettarsi ad adottare i primi strumenti High-NA EUV per i suoi processi dell’era 2 nm intorno al 2027–2028, preferendo aspettare che l’economia lo renda sensato ^[52].)
Samsung (Corea del Sud) – Adottatore di memoria e logica. Samsung è stata rapida nell’adottare l’EUV per la logica, annunciando la produzione a 7 nm EUV già nel 2019 (i suoi processori mobili Exynos e alcuni chip Qualcomm Snapdragon utilizzavano questi processi). Samsung ha anche guidato l’uso dell’EUV nella memoria, diventando la prima a utilizzare l’EUV nella fabbricazione di DRAM (per il suo nodo DRAM 1z-nm) e nella stratificazione V-NAND ^[53]. La linea produttiva di Samsung abilitata all’EUV a Hwaseong è stata una vetrina, e l’azienda continua a investire nell’EUV sia per il business delle fonderie sia per quello della memoria. Come TSMC, anche Samsung è cliente dei prossimi strumenti High-NA EUV di ASML, anche se secondo alcune fonti Samsung non ha ancora deciso quando introdurrà questi strumenti in produzione ^[54]. Nel frattempo, gli attuali processi di punta di Samsung (5 nm, 4 nm, transistor Gate-All-Around a 3 nm) utilizzano tutti l’EUV per ridurre i passaggi di mascheratura. Samsung produce ancora molti chip utilizzando DUV e strumenti più vecchi, ma per il livello più avanzato punta tutto sull’EUV.
Intel (USA) – Corsa per Rientrare in Prima Linea. Intel, a lungo leader nella litografia, ha incontrato ritardi al nodo da 10 nm (che utilizzava avanzate tecniche di multi-patterning DUV) e quindi è rimasta indietro nell’adozione dell’EUV. Tuttavia, da allora ha investito molto per recuperare terreno. Le generazioni di processi più recenti di Intel (denominate “Intel 4”, “Intel 3”, approssimativamente equivalenti alle classi ~7 nm e ~5 nm) utilizzano la litografia EUV per più strati – Intel 4, ad esempio, impiega l’EUV nella produzione delle prossime CPU Meteor Lake dell’azienda ^[55]. Intel è stata anche uno dei primi investitori in ASML e ha ottenuto l’accesso prioritario alle macchine EUV High-NA di ASML: ha ricevuto il primo strumento EUV High-NA al mondo (serie EXE:5000) nel 2023 per R&S e dovrebbe ricevere il primo strumento High-NA a livello produttivo (EXE:5200) tra il 2024 e il 2025 ^[56], ^[57]. Intel prevede di utilizzare questi scanner EUV High-NA per i suoi nodi da 1,8 nm e generazione 14Å (orizzonte ~2027) come parte della sua ambiziosa roadmap per riconquistare la leadership nei processi produttivi ^[58], ^[59]. Con la nuova leadership del CEO, Intel sta apertamente promuovendo la sua adozione dell’EUV e persino servizi come fonderia utilizzando l’EUV per produrre chip per altre aziende nel prossimo futuro.
Nikon e Canon (Giappone) – Veterani della DUV, alla ricerca di alternative. Nikon e Canon sono stati un tempo fornitori dominanti di apparecchiature per litografia (negli anni ’90, in particolare Nikon era leader nei sistemi stepper all’avanguardia). Continuano a produrre strumenti per la litografia DUV – infatti, per molti anni Nikon ha fornito macchine a Intel e ai produttori di memoria. Ma nessuna delle due aziende ha fornito una soluzione EUV: entrambe si sono ritirate dallo sviluppo EUV dopo le ricerche dei primi anni 2000, cedendo quel mercato alla ASML ^[60]. Oggi, Nikon vende ancora scanner a immersione da 193 nm per la produzione su larga scala (utilizzati soprattutto in fabbriche non di ultima generazione o come strumenti complementari), mentre Canon si è concentrata su nicchie specializzate come la litografia a nanoimpronta (NIL). Le nuove macchine NIL di Canon tentano di “stampare” meccanicamente i pattern dei chip e dichiarano un costo inferiore di un ordine di grandezza e il 90% in meno di consumo energetico rispetto agli strumenti EUV^[61]^[62]. Canon ha iniziato a spedire i suoi primi strumenti NIL per prove nel 2024 ^[63]. Alcuni vedono la NIL come una potenziale tecnologia dirompente per alcune applicazioni (potrebbe essere utilizzata insieme alla litografia convenzionale per strati più semplici o dispositivi di memoria), ma non è ancora dimostrata per la produzione logica ad altissimo volume e densità ^[64]. Per ora, Nikon e Canon restano significative nello spazio DUV (e per i nodi più vecchi), ma ASML detiene un monopolio effettivo sulla litografia avanzata necessaria per i microprocessori più all’avanguardia.
Le aspirazioni della Cina – Colmare il divario sotto restrizioni. La Cina, che ospita grandi fonderie di chip come SMIC, attualmente non ha accesso alla tecnologia EUV – ASML non ha mai avuto il permesso di vendere scanner EUV alla Cina a causa delle restrizioni all’export guidate dagli Stati Uniti cnfocus.com. Anche le vendite degli ultimi strumenti DUV immersion di ASML alla Cina sono ora soggette a licenza del governo olandese dal 2023 ^[65]. Questo ha stimolato gli sforzi cinesi per sviluppare una litografia indigena. L’azienda leader cinese di apparecchiature per la litografia, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), avrebbe costruito macchine capaci di litografia DUV a 90 nm e 28 nm, ma ancora nulla di paragonabile all’EUV (l’EUV coinvolge un vasto ecosistema di brevetti e problemi fisici complessi). Di conseguenza, fonderie cinesi come SMIC sono riuscite a produrre un chip simile a 7 nm usando la vecchia tecnica DUV a patterning multiplo, ma restano alcune generazioni indietro rispetto al livello più avanzato che richiede l’EUV. Le tendenze del mercato globale sono quindi profondamente intrecciate con la geopolitica: gli strumenti per la litografia sono diventati un bene strategico. Nel 2024, le vendite di ASML alla Cina (principalmente strumenti DUV) sono state circa 7 miliardi di dollari ^[66], ma la crescita futura è incerta a causa dell’inasprimento dei controlli all’export. Nel frattempo, la domanda sta esplodendo altrove, quindi ASML prevede che il suo business EUV crescerà di circa il 30% nel 2025 nonostante le possibili difficoltà con la Cina ^[67], ^[68].

Sfide e recenti progressi

Sebbene la litografia ultravioletta abbia permesso progressi notevoli, affronta anche importanti sfide che guidano l’innovazione continua. Ecco alcuni punti critici chiave e i recenti progressi che li stanno affrontando:

Costo e complessità degli strumenti: Il prezzo degli scanner EUV (~150 milioni di dollari o più ciascuno) e la loro estrema complessità alzano la barriera d’ingresso per i produttori di chip ^[69]. Solo poche aziende possono permettersi grandi flotte di questi strumenti. Per giustificare il costo, le fabbriche devono avere un’elevata utilizzazione e un alto rendimento. Progresso: I prossimi High-NA EUV sono ancora più costosi (>300 milioni di dollari ciascuno) ^[70], ma promettono una maggiore produttività e risoluzione, potenzialmente riducendo il costo per transistor. Inoltre, i progressi nel machine learning e nella litografia computazionale aiutano a massimizzare le prestazioni di ogni strumento (migliorando la fedeltà del pattern e le finestre di processo).
Produttività (velocità dello scanner): I primi strumenti EUV processavano meno wafer all’ora rispetto ai loro equivalenti DUV, in parte a causa della potenza limitata della sorgente e di ottiche più delicate. Una bassa produttività significa una minore efficienza della fabbrica. Progresso: La potenza delle sorgenti EUV è migliorata costantemente (le sorgenti attuali superano i 250 W, contro ~125 W degli strumenti di produzione iniziali), e gli ultimi scanner EUV di ASML possono esporre ~160 wafer/ora in condizioni ottimali. I prossimi sistemi High-NA EUV avranno ottiche riprogettate con apertura numerica più alta 0,55 contro 0,33, il che migliora la risoluzione ma inizialmente riduce la dimensione del campo. Per compensare, ASML sta progettando questi strumenti per raggiungere infine una produttività di ~185 wafer/ora. Infatti, ASML ha appena spedito il suo primo modello High-NA EUV (EXE:5200) nel 2025 e afferma che offrirà un aumento della produttività del 60% rispetto agli attuali strumenti EUV – circa 175 wafer/ora, che è in linea con gli scanner DUV ^[71].
Difetti e rendimento: Poiché l’EUV utilizza maschere riflettenti e opera su dimensioni nanometriche, il controllo dei difetti è una grande preoccupazione. Piccoli difetti o particelle sulla maschera possono essere stampati sul wafer, e i fotoresist EUV e il processo possono mostrare difetti casuali (problemi stocastici) se non ottimizzati. Progresso: L’industria ha sviluppato pellicole protettive per maschere per l’EUV (per tenere le particelle lontane dalla maschera) dopo molte iterazioni. Anche la chimica dei fotoresist sta evolvendo – nuovi materiali resist e tecniche di underlayer hanno migliorato la sensibilità e la rugosità del bordo della linea. I produttori di chip riferiscono che i problemi iniziali di rendimento con l’EUV sono stati in gran parte superati, e i tassi di difetto sono paragonabili ai nodi precedenti ^[72]. Tuttavia, i ricercatori continuano a perfezionare la tecnologia dei resist e delle maschere (inclusa l’esplorazione di resist a ossido metallico e altri approcci innovativi per l’EUV).
Consumo energetico: Come accennato, gli scanner EUV sono ad alto consumo – ognuno può assorbire dell’ordine di un megawatt di elettricità tra la sorgente laser, le pompe a vuoto e i sistemi di raffreddamento ^[73]. Questo contribuisce al notevole costo operativo e aumenta l’impronta ambientale delle fab. Progresso: Metodi alternativi di litografia come Nanoimprint mirano a ridurre drasticamente il consumo energetico (Canon dichiara un utilizzo di energia inferiore del 90%) ^[74]. All’interno della stessa EUV, gli ingegneri stanno lavorando per fonti più efficienti (ad es. maggiore efficienza di conversione dell’energia laser in luce EUV) così che gli strumenti futuri producano più luce con meno energia in ingresso. Anche piccoli miglioramenti nell’efficienza della sorgente o nella riflettività degli specchi possono portare a risparmi energetici significativi su migliaia di wafer.
Limiti della risoluzione ottica: Anche l’EUV a 13,5 nm raggiungerà infine dei limiti di miniaturizzazione. Gli attuali strumenti EUV (0,33 NA) possono realizzare senza problemi pattern con pitch di ~30 nm; oltre questo, saranno necessari multipli patterning o High-NA EUV per il nodo ~2 nm e inferiori. Progresso: High-NA EUV è sostanzialmente il prossimo grande passo – aumentando la NA della lente a 0,55 con un nuovo design ottico (che, tra l’altro, richiede una nuova maschera da 6 pollici e una piattaforma strumentale completamente nuova), questi sistemi potranno risolvere caratteristiche ~30–40% più piccole ^[75]. ASML afferma che High-NA EUV potrebbe quasi triplicare la densità dei transistor sui chip consentendo caratteristiche più fini e pitch più stretti ^[76]. I primi strumenti High-NA EUV sono previsti per l’uso pilota da parte di Intel intorno al 2025–2026, con l’obiettivo di un uso su larga scala entro il ~2028 ^[77]. Questa estensione dovrebbe portare l’industria attraverso i nodi da 2 nm, 1,5 nm e 1 nm (nonostante il nome, questi coinvolgeranno pitch di caratteristiche nell’ordine di poche decine di nanometri). Oltre questo, potrebbero essere necessari altri approcci (come i concetti “Beyond EUV” a lunghezze d’onda ancora più corte, o metodi di patterning rivoluzionari).
Tecniche alternative di litografia: La concentrazione della capacità critica di litografia in un’unica azienda (ASML) e in un’unica tecnologia (EUV) ha suscitato interesse per tecniche alternative o ausiliarie. Progresso: Oltre al NIL di Canon, sono in corso lavori su Directed Self-Assembly (DSA) – l’uso di materiali speciali che formano spontaneamente pattern molto fini, che possono integrare la litografia per alcune strutture. Un altro approccio è la litografia multiphoton o quantistica, ancora in gran parte accademica. La litografia a fascio elettronico (scrittura diretta con fasci di elettroni) viene utilizzata per la produzione di maschere e prototipi, ma è troppo lenta per la produzione di massa. Tuttavia, le aziende stanno esplorando strumenti e-beam multi-fascio per patterning di nicchia. Queste alternative, se matureranno, potrebbero un giorno ridurre il carico sulla litografia ottica o abbattere i costi per alcuni strati. Per ora, sono ricerche “belle da avere”, mentre la litografia ottica UV rimane la base indispensabile.

Approfondimenti degli esperti e prospettive future

Il consenso tra gli esperti del settore è che la litografia ultravioletta continuerà a essere il perno della fabbricazione di chip per il prossimo futuro, sebbene con un’evoluzione continua. “Continuiamo a ingegnerizzare e sviluppare… c’è una curva di apprendimento ripida per noi e per i nostri clienti,” ha dichiarato un portavoce di ASML riguardo al lancio dell’EUV High-NA, sottolineando che ogni nuovo salto (come l’High-NA) richiede un ampio lavoro di messa a punto ^[78]. Gli analisti avvertono inoltre che sarà la convenienza economica a guidare l’adozione: “Mentre alcuni produttori di chip potrebbero introdurre [High-NA EUV] prima per ottenere la leadership tecnologica, la maggior parte non lo adotterà finché non avrà senso dal punto di vista economico,” ha osservato Jeff Koch di SemiAnalysis, prevedendo che la maggior parte aspetterà fino al ~2030, quando il vantaggio giustificherà la spesa^[79]. In risposta, il CEO di ASML Peter Wennink insiste che l’High-NA dimostrerà il suo valore prima: “Tutto ciò che vediamo con i clienti è che l’High-NA è più economico [per loro]” per raggiungere il prossimo livello di miniaturizzazione ^[80]. Questa visione ottimistica suggerisce che, con l’aumentare della complessità, una litografia più avanzata potrebbe in realtà ridurre i costi complessivi eliminando passaggi di processo aggiuntivi.

Non si può sopravvalutare il ruolo centrale di ASML – un fatto che non è sfuggito ai governi. In un mondo in cui i chip all’avanguardia conferiscono vantaggi economici e militari, le apparecchiature per la litografia sono diventate un bene strategico. Il governo olandese (con il sostegno degli Stati Uniti) ha limitato severamente le esportazioni di strumenti avanzati di ASML verso la Cina ^[81], una mossa volta a “ostacolare le ambizioni della Cina nei semiconduttori”^[82]. Questo ha portato a una biforcazione nella catena di approvvigionamento globale dei chip: i chip logici più avanzati sono attualmente prodotti solo in pochi luoghi (Taiwan, Corea del Sud e presto negli Stati Uniti tramite le fabbriche TSMC/Intel), tutti utilizzando le macchine EUV di ASML. La Cina sta investendo molto per recuperare terreno nelle tecnologie più datate e sviluppare una litografia nazionale, ma gli esperti stimano che potrebbero volerci molti anni per avvicinarsi alla parità, se mai ci riuscirà, dati i notevoli ostacoli in termini di conoscenza e proprietà intellettuale.

Nel frattempo, la domanda di strumenti per la litografia UV è in forte crescita in linea con il boom dei semiconduttori. La crescita dell’IA e del calcolo ad alte prestazioni sta spingendo le principali fabbriche ad aumentare la capacità produttiva. I libri ordini di ASML per le macchine EUV hanno raggiunto livelli record – in un recente trimestre, gli ordini sono saliti a 10 miliardi di dollari, principalmente per sistemi EUV e High-NA futuri ^[83]. L’azienda prevede che i ricavi legati all’EUV aumenteranno di circa il 40–50% nel 2025 ^[84], contribuendo a incrementare le vendite totali nonostante la domanda più lenta da parte della memoria o della Cina ^[85]. In altre parole, il mercato della litografia all’avanguardia è solido e in crescita, con ASML che prevede di consegnare decine di unità EUV in più ogni anno. Entro il 2030, l’EUV High-NA sarà probabilmente in piena espansione e si parlerà di cosa verrà dopo l’era dell’EUV.

Cosa potrebbe succedere dopo? Alcuni ricercatori parlano di “Beyond EUV” – forse utilizzando lunghezze d’onda ancora più corte nell’intervallo dei raggi X soffici (~6–8 nm) o la litografia a proiezione di elettroni/ioni – ma ognuna di queste strade affronta sfide fisiche scoraggianti. Per ora, la strategia dell’industria è ottenere il massimo dall’EUV: prima implementando l’EUV High-NA per altre 1–2 generazioni di miniaturizzazione, e poi combinando l’EUV con un’integrazione di processo intelligente (come le architetture chiplet e la stratificazione 3D, che alleviano la necessità di miniaturizzazioni monolitiche 2D). La litografia rimarrà un mix di tecniche: il DUV non scomparirà (verrà utilizzato insieme all’EUV), e metodi innovativi come il nanoimprint potrebbero trovare una nicchia per integrare i processi mainstream se si dimostreranno validi. Ma qualsiasi cambiamento radicale rispetto alla litografia ottica richiederebbe probabilmente anche un cambio di paradigma nella progettazione dei chip – qualcosa che non è ancora all’orizzonte per la produzione su larga scala.

Nelle parole del presidente di TSMC, Mark Liu, l’industria dei semiconduttori ha “lavorato in un tunnel” con un obiettivo chiaro per decenni: miniaturizzare, miniaturizzare, miniaturizzare ^[86]. La litografia ultravioletta è stata la luce che ha guidato quel tunnel. È iniziata con le lampade al mercurio e i primi UV, è progredita verso i laser excimer deep-UV che ci hanno accompagnato per oltre 20 anni ^[87], e ora è arrivata all’era dell’extreme-UV, estendendo ulteriormente il tunnel. Il viaggio è stato tutt’altro che facile – segnato da momenti di trionfo e frequenti dubbi – eppure il risultato è a dir poco sorprendente: miliardi di strutture larghe solo decine di atomi, modellate perfettamente su grandi wafer, che consentono imprese computazionali che sembravano impossibili solo una generazione fa.

Guardando al futuro, lo sviluppo dei microprocessori è più intrecciato che mai con la litografia. Le prestazioni e le capacità delle prossime CPU, GPU e acceleratori AI saranno determinate in gran parte da quanto finemente e affidabilmente potremo stampare le loro caratteristiche. La litografia ultravioletta è lo strumento principale che rende tutto ciò possibile. Gli esperti del settore sono ottimisti che, con continue innovazioni – dagli obiettivi High-NA a software più intelligenti e forse alcune idee fuori dagli schemi come NIL o DSA – la litografia continuerà a progredire. Il CEO di ASML suggerisce persino che la roadmap per l’EUV e le sue estensioni sia solida per il prossimo decennio, offrendo ai produttori di chip una chiara pista per continuare a migliorare. Le tendenze del mercato globale indicano una crescita sana e una competizione intensa, ma anche una convergenza attorno a poche tecnologie e fornitori chiave.

In sintesi, il mondo della litografia ultravioletta è una fusione di fisica ed ingegneria all’avanguardia con economia e strategia ad alto rischio. Può operare nel regno invisibile della luce UV, ma il suo impatto è chiaramente visibile sotto forma di microprocessori sempre più potenti anno dopo anno. La prossima volta che sentirai parlare di una nuova svolta nei chip “nanometrici”, ricorda la rivoluzione ultravioletta che lavora dietro le quinte. Dal deep UV all’extreme UV e oltre, queste tecnologie stanno davvero plasmando il futuro dei microchip – incidendo le prossime righe nella storia del progresso tecnologico umano, un lampo di fotone alla volta.

Fonti

C. Thompson, “Dentro la macchina che ha salvato la legge di Moore,” MIT Technology Review, 27 ott. 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, “Fotolitografia – Gli strumenti allo stato dell’arte attuali utilizzano laser ad eccimeri UV profondo da 193 nm” ^[90]
M. Chaban, “Illuminare la via: come ASML ha fatto rivivere la legge di Moore,” Google Cloud Blog, 28 mar. 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Esplorando il futuro della litografia EUV e oltre,” 4 nov. 2024 ^[93]
T. Sterling, “Intel ordina un sistema ASML per ben oltre 340 milioni di dollari nella corsa al vantaggio nella produzione di chip,” Reuters, 19 gen. 2022 ^[94]
T. Sterling, “La prossima sfida di ASML: il lancio della sua nuova macchina ‘High NA EUV’ da 350 milioni di dollari,” Reuters, 9 feb. 2024 ^[95]
TrendForce News, “ASML conferma la prima spedizione di High-NA EUV EXE:5200…,” 17 lug. 2025 ^[96]
T. Sterling, “Il governo olandese esclude la maggior parte delle vendite ASML in Cina dai dati di esportazione,” Reuters, 17 gen. 2025 ^[97]
A. Shilov, “La nuova tecnica di produzione di chip ‘a timbratura’ utilizza il 90% di energia in meno rispetto all’EUV,” Tom’s Hardware, 31 gen. 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, “Samsung Electronics inizia la produzione di massa nella nuova linea EUV,” feb. 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “Tecnologia 7nm FinFET Plus (N7+) – Prima a utilizzare EUV (2019)” ^[100]
S&P Global Market Intelligence, “ASML pronta per una ripresa alimentata dall’IA mentre la domanda di EUV e High-NA cresce,” sett. 2023 ^[101]

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

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References