Ультрафиолетовая революция: внутри невидимых машин за $150 млн, формирующих будущее микрочипов

Машины для ультрафиолетовой литографии стоят более 150 миллионов долларов каждая и имеют размеры с автобус.
Наблюдатели отрасли прозвали последнее поколение этих инструментов «машинами, которые спасли закон Мура», потому что они позволяют создавать современные передовые процессоры.
ASML является единственным поставщиком систем EUV-литографии, при этом стоимость инструментов EUV составляет около 150–180 миллионов долларов за штуку.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) впервые внедрила EUV в массовом производстве на своем техпроцессе 7nm+ (N7+) в 2019 году.
Экстремальная ультрафиолетовая литография использует свет с длиной волны 13,5 нм, который создается путем обстрела капель олова мощным лазером для образования плазмы, испускающей EUV-излучение, при этом энергопотребление инструмента превышает 1 мегаватт.
ASML поставила первый инструмент High-NA EUV, EXE:5200, в 2025 году; он увеличивает числовую апертуру до 0,55 и рассчитан примерно на 175 пластин в час.
Первые коммерческие чипы, изготовленные с помощью EUV, появились в 2019 году: процесс TSMC 7nm+ (N7+) и Samsung 7LPP использовали EUV.
Экспортный контроль запрещает ASML продавать EUV в Китай, в то время как продажи ASML в Китай в 2024 году составили около 7 миллиардов долларов, в основном за счет инструментов DUV.
Nikon и Canon прекратили разработку EUV; Nikon продолжает поставлять иммерсионные сканеры на 193 нм, а Canon сосредоточилась на наноимпринт-литографии (NIL) с пробными поставками в 2024 году.
DRAM Samsung класса 14 нм использует EUV на нескольких слоях, а Micron планирует внедрить EUV для своего следующего поколения DRAM.

Каждый современный микропроцессор — от чипа в вашем смартфоне до процессоров, обеспечивающих работу облачного ИИ — рождается под ультрафиолетовым светом. На самом деле, одни из самых передовых производственных машин на Земле направляют невидимые ультрафиолетовые лазеры на кремниевые пластины, чтобы вытравить наномасштабные схемы, которые обеспечивают работу микрочипов. Эти машины стоят более 150 миллионов долларов каждая, имеют размеры с автобус и работают с почти научно-фантастической сложностью — и все же они остаются незамеченными рабочими лошадками, стоящими за законом Мура и непрерывным прогрессом к более быстрым, меньшим и эффективным процессорам ^[1], ^[2]. Наблюдатели отрасли даже прозвали последнее поколение этих инструментов «машинами, которые спасли закон Мура», потому что без них производство передовых чипов было бы практически невозможно ^[3]. В этом отчете рассматривается мир ультрафиолетовой литографии — как в ее традиционной форме глубокого ультрафиолета (DUV), так и в передовой форме экстремального ультрафиолета (EUV) — объясняется, как она работает, почему она так важна для разработки микропроцессоров и куда она движется дальше.

Ультрафиолетовая литография может показаться эзотерической инженерией, но её влияние очень реально и заметно в нашей повседневной жизни. Печать всё более тонких узоров транзисторов на кремнии с помощью УФ-литографии напрямую обеспечивает поразительные темпы развития технологической индустрии. Как прямо выразился один технический аналитик, «Закон Мура по сути разваливается, и без этой машины ему конец. Вы не сможете производить передовые процессоры без EUV.»^[4] Другими словами, будущее микрочипов — и всех гаджетов и инноваций, которые они обеспечивают — теперь зависит от использования света с крошечными длинами волн. Ниже мы разберём, как работает эта световая печать, как она эволюционировала в новейшую технологию EUV, кто главные игроки (от голландского производителя оборудования ASML до гигантов чипов вроде TSMC, Samsung и Intel), последние прорывы (такие как машины следующего поколения EUV и альтернативные методы), а также что говорят эксперты отрасли о будущем.

Что такое ультрафиолетовая литография?

В своей основе литография при производстве чипов похожа на фотографию на кремнии. Кремниевую пластину покрывают светочувствительным материалом (фоторезистом), и машина с помощью сфокусированного света проецирует сложные схемы на эту пластину через маску, похожую на трафарет. Эти схемы соответствуют крошечным транзисторам и проводникам, из которых состоит микропроцессор. Там, где попадает свет, фоторезист химически изменяется, чтобы эти области можно было вытравить или обработать, а закрытые участки остаются защищёнными. Повторяя этот процесс слой за слоем с предельной точностью, производители чипов создают сложную архитектуру современного интегрального микросхемы.

Ключом к разрешающей способности в этом процессе «печати» является длина волны света. Точно так же, как более тонкая кисть позволяет художнику рисовать более мелкие детали, более короткая длина волны света позволяет производителям микросхем гравировать более тонкие элементы. На протяжении десятилетий полупроводниковая индустрия неуклонно стремилась к более коротким длинам волн в электромагнитном спектре, чтобы печатать всё более мелкие транзисторы ^[5]. Ранние микросхемы 1960-х годов использовали видимый и длинноволновой ультрафиолетовый свет (g-линия на 436 нм, i-линия на 365 нм), но к 1990-м годам передовые технологии перешли в область глубокого ультрафиолета с мощными эксимерными лазерами на 248 нм (KrF) и позже 193 нм (ArF)^[6]. Свет с длиной волны 193 нм — примерно 1/5 длины волны видимого света — стал рабочей лошадкой для производства микросхем в 2000-х и 2010-х годах. Эта глубокая УФ (DUV) литография позволила создавать минимальные элементы порядка ~50 нм и меньше, особенно после внедрения таких приёмов, как иммерсионные линзы и многократные экспозиции ^[7]. На самом деле, «эксимерная лазерная литография» на 248 нм и 193 нм была настолько успешной, что обеспечила выполнение закона Мура примерно на два десятилетия, позволяя размерам транзисторов продолжать уменьшаться, а плотности чипов — удваиваться по графику ^[8].

Однако к концу 1990-х и началу 2000-х инженеры уже знали, что приближаются к волновому пределу с использованием 193-нм света ^[9]. Чтобы формировать элементы значительно меньше ~40–50 нм, литография на 193 нм была вынуждена прибегать к всё более запутанным методам: экзотическим оптическим трюкам, этапам многократного экспонирования (многократное экспонирование одного и того же слоя с масками, смещёнными относительно друг друга, для достижения более мелкого шага), и другим хитроумным обходным решениям ^[10], ^[11]. Эти техники продлили срок службы DUV-оборудования (на самом деле, производители чипов растянули 193-нм технологию вплоть до техпроцессов, продаваемых как 10 нм или даже 7 нм, используя двойное, тройное или четверное экспонирование), но ценой огромной сложности, снижения выхода годных и стремительного роста производственных затрат. К середине 2010-х стало ясно, что традиционная DUV-технология испытывает серьёзные трудности для дальнейшего развития – отрасли требовался переход к более короткой длине волны света, чтобы сохранить действие закона Мура ^[12].

Глубокая ультрафиолетовая (DUV) литография: рабочая лошадка

Глубокая УФ-литография (с использованием лазеров ~248 нм и 193 нм) была рабочей лошадкой производства чипов на протяжении многих поколений. DUV-установки по сути являются чрезвычайно точными проекционными системами изображения: они пропускают УФ-лазер через фотошаблон и серию редукционных линз, чтобы спроецировать уменьшённое изображение на кремниевую пластину. В современных 193-нм системах даже пространство между линзой и пластиной заполняется ультра-чистой водой (иммерсионная литография), чтобы эффективно увеличить числовую апертуру линзы и разрешать более мелкие элементы ^[13]. Используя эти методы, 193-нм иммерсионная литография смогла печатать элементы значительно меньше своей номинальной длины волны – но только с применением технологий повышения разрешения и многократных экспозиций. Например, до появления EUV, передовые чипы 7-нм техпроцесса реализовывались с помощью DUV с использованием четырёх отдельных этапов маскирования для одного слоя (четверное экспонирование) – поразительно сложная задача по точному совмещению.

DUV-литография высокозрелая и надёжная. DUV-оборудование от таких компаний, как ASML, Nikon и Canon, до сих пор обрабатывает большинство слоёв при производстве чипов (даже на самых передовых фабриках только самые критичные слои используют EUV, в то время как менее критичные продолжают экспонироваться с помощью нескольких DUV-процессов). Эти машины также значительно дешевле, чем новейшие EUV-инструменты — топовый иммерсионный DUV-сканер может стоить порядка $50–$100 миллионов, тогда как EUV-установка обойдётся в $150+ миллионов ^[14]. В результате DUV-инструменты остаются незаменимыми не только для чипов предыдущих поколений (где размеры элементов больше и их проще печатать), но и как дополнение к EUV в передовых технологических процессах. На самом деле, продажи DUV по-прежнему составляют основную часть поставляемого ежегодно литографического оборудования ^[15]. У производителей чипов имеется огромная установленная база DUV-сканеров и обширный опыт их использования.

Однако, несмотря на постоянные усовершенствования, 193-нм DUV достиг фундаментального предела в том, насколько ещё можно уменьшить размеры без чрезмерных усилий. Практическое разрешение в оптической литографии примерно соответствует критерию Релея: минимальный размер элемента ≈ k₁ · (λ/NA), где λ — длина волны, а NA — апертура объектива. При фиксированной λ = 193 нм и максимальной NA около 1,35 (иммерсионная), производители чипов довели k₁ до теоретических пределов с помощью вычислительных трюков — но чтобы продолжать уменьшать размер элементов, нужно было уменьшать и саму λ. К 2019 году ведущие фабрики, такие как TSMC и Samsung, коммерчески внедрили новый источник литографического излучения с длиной волны 13,5 нм — почти в 15 раз короче, чем у DUV (193 нм) ^[16]. Это ознаменовало начало эры экстремального ультрафиолета (EUV)-литографии.

Переход к литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV)

Экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV) использует свет с гораздо более короткой длиной волны — 13,5 нм, на границе между УФ и рентгеновским излучением — для экспонирования чипов. Благодаря переходу к такому гораздо более тонкому «кисточке» EUV может печатать гораздо меньшие транзисторы и элементы за один проход, избегая многих сложных многоступенчатых этапов, необходимых DUV на продвинутых техпроцессах ^[17]. На практике литография EUV позволила массовое производство чипов на технологических поколениях 7 нм, 5 нм и 3 нм с гораздо меньшим количеством технологических этапов и лучшей выходной продукцией, чем при полностью DUV-подходе. Например, тайваньская TSMC использовала EUV на нескольких критических слоях, начиная с техпроцесса 7 нм+ (N7+) в 2019 году — первый коммерческий процесс с использованием EUV ^[18] — а затем широко применяла его для 5 нм техпроцессов, на которых работают процессоры, такие как Apple A15 и A16 Bionic для смартфонов ^[19]. Samsung аналогично начала массовое производство с использованием EUV в начале 2019 года по техпроцессу 7LPP и с тех пор внедрила EUV для 5 нм и даже при производстве чипов памяти^[20], ^[21]. Эти шаги стали переломными: используя свет 13,5 нм, производители чипов смогли печатать элементы с одиночной экспозицией, которые ранее требовали нескольких проходов DUV, упростив производство и обеспечив более плотную упаковку транзисторов, чем когда-либо прежде^[22].

Однако внедрение EUV-литографии не было легкой революцией. Понадобилось более двух десятилетий исследований и около 9–10 миллиардов долларов на НИОКР, чтобы сделать EUV пригодной для массового производства ^[23]^[24]. Проблемы были огромными, потому что свет с длиной волны 13,5 нм ведет себя совсем иначе, чем свет с длиной волны 193 нм. Во-первых, ни один материал не прозрачен при 13,5 нм — нельзя использовать преломляющие линзы или обычные стеклянные маски. Вместо этого в системах EUV используется полностью зеркальная оптическая система: серия точно изготовленных многослойных зеркал со специальными покрытиями, отражающими свет 13,5 нм (каждое зеркало отражает только часть света, поэтому при использовании нескольких зеркал интенсивность резко падает) ^[25]. Фотомаска также представляет собой отражающий зеркальный субстрат, а не прозрачную стеклянную пластину. Всё это должно работать в вакууме (воздух поглощает EUV). Короче говоря, EUV-сканеры — это полная переработка оптической системы по сравнению с DUV-инструментами, включающая экзотическую оптику и экстремальную точность.

А теперь о источнике света: как вообще можно сгенерировать высокоинтенсивный ультрафиолетовый свет с длиной волны 13,5 нм? Ответ звучит как научная фантастика: EUV-установки создают свет, направляя импульсный высокомощный лазер на крошечные капли расплавленного олова, 50 000 раз в секунду ^[26], ^[27]. Каждый лазерный импульс превращает каплю олова в чрезвычайно горячую плазму, которая излучает EUV-радиацию — по сути, миниатюрный взрыв, похожий на взрыв звезды, происходящий внутри машины. Эти плазменные вспышки производят желаемый свет с длиной волны 13,5 нм вместе с множеством другой нежелательной радиации и мусора, поэтому система должна фильтровать и собирать нужную длину волны и экранировать всё остальное. Затем EUV-свет фокусируется зеркальной оптикой и направляется на пластину по определённым шаблонам. Это крайне неэффективный процесс с точки зрения генерации света (большая часть энергии теряется в виде тепла), поэтому лазер, питающий источник, должен быть невероятно мощным. Источник света EUV-сканера может потреблять порядка >1 мегаватта энергии, чтобы обеспечить достаточный поток EUV-фотонов для массового производства ^[28]. Для сравнения, эксимерный лазер на 193 нм использует лишь малую долю этой мощности. Это объясняет, почему EUV-установки имеют огромные требования к питанию и охлаждению, и почему альтернативные методы, такие как наноимпринтная литография (которая вообще не использует лазеры), обещают экономию энергии до ~90% ^[29].

На этом сложность не заканчивается. Поскольку EUV-фотоны настолько энергичны, они могут вызывать тонкие стохастические эффекты в фоторезисте (случайные вариации, которые могут привести к дефектам, если их не устранить), а EUV-маски нельзя легко защитить обычными пелликулами (разработка специальных EUV-пелликул была ещё одной многолетней задачей). Каждый элемент системы — от вакуумных стадий до шестистепенных позиционеров пластин, движущихся со скоростью метров в секунду, до инспекции дефектов этих многослойных зеркал — расширял границы инженерии. «Это очень сложная технология — по уровню сложности она, вероятно, сопоставима с Манхэттенским проектом», — отметил директор по литографии Intel, иллюстрируя, насколько сложно было разработать EUV ^[30].

В течение многих лет множество экспертов сомневались, что EUV когда-либо заработает вовремя. Крупные игроки Nikon и Canon отказались от исследований EUV после того, как столкнулись со слишком большим количеством препятствий, оставив ASML (Нидерланды) единственной компанией, продвигающей технологию вперед^[31]^[32]. Ставка ASML в конечном итоге оправдалась — но не без помощи. В 2012 году, осознав стратегическую важность EUV, крупные производители чипов Intel, TSMC и Samsung совместно инвестировали около 4 миллиардов долларов в ASML, чтобы ускорить разработку EUV ^[33]. К 2017 году ASML наконец представила готовый к производству EUV-сканер (модель NXE:3400B), а к 2019 году начали выходить первые коммерческие чипы, изготовленные с помощью EUV ^[34]^[35]. Наблюдатели отрасли назвали это переломным моментом — долгожданная революция EUV пришла как раз вовремя, чтобы продлить дорожную карту развития полупроводников. Как отмечает MIT Technology Review, EUV-инструмент ASML — это «желанный аппарат… используемый для создания микрочипов с элементами размером до 13 нанометров… содержит 100 000 крошечных механизмов… для доставки одного клиенту требуется четыре самолета 747» ^[36]. Короче говоря, EUV-сканеры — это чудеса современной инженерии, которые используют ультрафиолетовый свет в масштабе и с такой сложностью, каких раньше не было.

Почему УФ-литография важна для микропроцессоров

Вся эта сложность окупается просто: меньшие транзисторы и более высокая производительность чипов. Благодаря печати более тонких элементов производители чипов могут размещать больше транзисторов на той же площади (что обычно означает большую вычислительную мощность или более низкую стоимость одного чипа), а также уменьшать электрические ёмкости и расстояния, которые должны преодолевать сигналы (что означает более высокие скорости переключения и меньшее энергопотребление). В этом и заключается суть закона Мура — уменьшение размеров транзисторов для увеличения их количества в каждом новом поколении чипов — и литография является основополагающим фактором этого прогресса ^[37], ^[38]. Когда вы слышите о новом чипе для смартфона, изготовленном по «3-нм техпроцессу», или о серверном процессоре на «5-нм EUV-технологии», эти числа в основном отражают возможности передовой литографии по формированию чрезвычайно мелких элементов (хотя названия техпроцессов отчасти маркетинговые, они коррелируют с улучшением плотности, которое стало возможным благодаря EUV).

Важность ультрафиолетовой литографии, возможно, лучше всего иллюстрируется тем, что бы произошло без этих достижений. Если бы отрасль осталась только на 193-нм DUV, производители чипов, возможно, всё равно нашли бы способы создавать очень мощные чипы — но для этого потребовалось бы так много повторяющихся этапов обработки (и усложнения, приводящего к снижению выхода годных кристаллов), что стоимость резко возросла бы, а прогресс значительно замедлился. Действительно, примерно в середине 2010-х некоторые предсказывали неминуемый конец закона Мура, поскольку оптическая литография достигала предела. EUV появилась как раз вовремя, чтобы дать новую надежду. Благодаря восстановлению более простой одноэкспозиционной схемы на передовом уровне, EUV продлила дорожную карту масштабирования как минимум ещё на несколько поколений. Целый ряд самых современных чипов сегодня обязаны своим существованием EUV. Например, новейшие процессоры Apple серии A для смартфонов и чипы серии M для Mac изготавливаются компанией TSMC с использованием 5-нм EUV-процессов, что позволяет достичь количества транзисторов в десятки миллиардов и добиться значительного скачка в скорости и энергоэффективности по сравнению с предыдущими поколениями ^[39]. Процессоры и видеокарты AMD Ryzen, многие из которых производятся по 7-нм или 5-нм EUV-техпроцессу TSMC, также выигрывают за счёт увеличения плотности и экономии энергии. Даже самые современные AI-ускорители и процессоры для дата-центров — те, что обеспечивают работу крупномасштабных AI-моделей — используют 5-нм/4-нм EUV-процессы для плотного размещения матричных вычислительных блоков и управления тепловыделением.

Это касается не только логических чипов. Микросхемы памяти также получают выгоду от достижений в области УФ-литографии. Производители высокопроизводительной DRAM начали использовать EUV для некоторых критических слоев в своих последних поколениях (например, DRAM Samsung класса 14 нм использует EUV на нескольких слоях) для увеличения плотности битов и повышения выхода годных чипов ^[40]. Micron также внедряет EUV в своем следующем техпроцессе DRAM. Большее количество EUV-слоев в памяти означает больше гигабит хранения на чип и более низкую стоимость за бит, что в конечном итоге означает больше памяти в ваших устройствах за ту же цену. На самом деле, генеральный директор ASML Питер Веннинк отметил, что растущий спрос на ИИ и данные подталкивает производителей памяти к быстрому внедрению EUV – «Производители DRAM используют больше EUV-слоев на текущих и будущих техпроцессах», подчеркнул он, что увеличивает спрос на эти инструменты по всей отрасли ^[41].

Короче говоря, УФ-литография напрямую влияет на возможности микропроцессоров. Возможность изготавливать более мелкие транзисторы позволяет не только размещать больше ядер или кэша на чипе, но и снижать энергопотребление на переключение каждого транзистора. Вот почему каждое новое поколение техпроцессов часто приносит 15–30% прирост производительности и 20–50% снижение энергопотребления при том же дизайне, либо позволяет увеличить плотность транзисторов вдвое и более. Например, переход TSMC с 7 нм (в основном DUV) на 5 нм (EUV) обеспечил примерно 1,8-кратное увеличение плотности логики и ~15% прирост скорости при том же энергопотреблении ^[42]. Эти улучшения приводят к более быстрым смартфонам, более эффективным дата-центрам и прорывам в задачах высокопроизводительных вычислений. Ультрафиолетовая литография — это невидимая рука, которая вырезает эти улучшения в кремнии. Как выразился один из исследовательских директоров отрасли: «Без EUV вы не сможете производить передовые процессоры»^[43] – настолько это критично для сохранения темпов прогресса.

Текущее состояние и ключевые игроки

По состоянию на 2025 год, ультрафиолетовая литография лежит в основе каждого передового производства чипов, и в этой области доминируют несколько ключевых игроков и технологий. Вот взгляд на текущий ландшафт и основные движущие силы:

ASML (Нидерланды) – Ключевой игрок в литографии. ASML является единственным поставщиком EUV литографических систем в мире ^[44]. В конце 2010-х она стала первой (и единственной) компанией, коммерциализировавшей EUV-сканеры, после того как конкуренты вышли из гонки ^[45]. Ее EUV-установки (каждая стоит около $150–$180 млн ^[46], ^[47]) используются всеми ведущими производителями чипов. ASML также производит DUV-сканеры (где конкурирует с Nikon/Canon за долю рынка). Благодаря EUV ASML стала одной из самых ценных компаний-поставщиков оборудования для полупроводников в мире – фактически удерживая монополию на самые передовые литографические технологии. Для одного современного завода может потребоваться парк из 10–20 EUV-машин ASML, что означает многомиллиардные инвестиции. По состоянию на 2021 год в эксплуатации находилось уже более 100 EUV-установок ^[48], и это число продолжает расти по мере расширения использования EUV компаниями TSMC, Samsung и Intel. (Примечательно, что экспортный контроль в настоящее время не позволяет ASML продавать EUV-установки в Китай из-за их стратегической важности ^[49].)
TSMC (Тайвань) – Пионер контрактного производства с EUV. TSMC — крупнейший в мире контрактный производитель чипов и первым внедрил EUV в массовое производство (его 7-нм+ узел “N7+” в 2019 году стал первой в отрасли технологией с EUV) ^[50]. С тех пор TSMC широко использует EUV для своего поколения 5 нм (2019–2020) и узлов 4 нм/3 нм, производя чипы для Apple, AMD, Nvidia и многих других с мировым уровнем выхода годных. Используя EUV на ряде критических слоев, TSMC достигла увеличения плотности, определяющего эти узлы. Лидерство TSMC в раннем освоении EUV — одна из главных причин, почему компания обогнала Intel в технологическом процессе за последние годы. В будущем TSMC планирует продолжать использовать текущий EUV (0,33 NA) для своих узлов 3 нм и даже 2 нм, а также рассматривает следующий этап развития EUV для дальнейших поколений ^[51]. (Интересно, что TSMC заявила, что может не спешить с внедрением первых High-NA EUV инструментов для своих процессов эпохи 2 нм примерно в 2027–2028 годах, предпочитая дождаться, когда экономика станет оправданной ^[52].)
Samsung (Южная Корея) – Адаптер памяти и логики. Samsung быстро внедрила EUV для логики, объявив о производстве 7 нм EUV уже в 2019 году (эти технологии использовались в мобильных процессорах Exynos и некоторых чипах Qualcomm Snapdragon). Samsung также стала пионером в использовании EUV в памяти, став первой, кто применил EUV в производстве DRAM (для своего 1z-нм DRAM-узла) и в послойной структуре V-NAND ^[53]. EUV-линия Samsung в Хвасонге стала образцовой, и компания продолжает инвестировать в EUV как для контрактного производства, так и для памяти. Как и TSMC, Samsung является клиентом ASML на будущие High-NA EUV, хотя, по сообщениям, Samsung еще не определилась, когда внедрит эти инструменты в производство ^[54]. Тем временем, текущие флагманские процессы Samsung (5 нм, 4 нм, 3 нм транзисторы Gate-All-Around) все используют EUV для сокращения этапов маскирования. Samsung также продолжает производить множество чипов с использованием DUV и старых инструментов, но для передовых технологий полностью перешла на EUV.
Intel (США) – Гонка за возвращением лидерства. Intel, долгое время бывшая лидером в области литографии, столкнулась с задержками на этапе 10-нм техпроцесса (который использовал продвинутую DUV-мультишаблонную литографию) и, таким образом, отстала в освоении EUV. Однако с тех пор компания активно инвестирует, чтобы наверстать упущенное. Новейшие поколения техпроцессов Intel (брендированные как «Intel 4», «Intel 3», примерно эквивалентные ~7 нм и ~5 нм классам) используют EUV-литографию для нескольких слоёв – например, Intel 4 применяет EUV при производстве будущих процессоров Meteor Lake компании ^[55]. Intel также была одним из первых инвесторов в ASML и обеспечила себе приоритетный доступ к EUV-установкам High-NA от ASML: в 2023 году она получила первый в мире инструмент High-NA EUV (серия EXE:5000) для НИОКР и должна получить первый промышленный инструмент High-NA (EXE:5200) к 2024–2025 годам ^[56], ^[57]. Intel планирует использовать эти сканеры High-NA EUV для своих узлов 1,8 нм и поколения 14Å (~2027 год) в рамках своей амбициозной дорожной карты по возвращению лидерства в технологиях ^[58], ^[59]. С новым генеральным директором Intel открыто заявляет о внедрении EUV и даже предлагает услуги фабрики, используя EUV для производства чипов для других компаний в ближайшем будущем.
Nikon и Canon (Япония) – Ветераны DUV, ищущие альтернативы. Nikon и Canon когда-то были ведущими поставщиками литографического оборудования (в 1990-х годах, в частности, Nikon лидировала в области передовых степперов). Они продолжают производить инструменты DUV-литографии – на самом деле, в течение многих лет Nikon поставляла машины Intel и производителям памяти. Но ни одна из компаний не представила решения для EUV: обе отказались от разработки EUV после исследований начала 2000-х годов, уступив этот рынок ASML ^[60]. Сегодня Nikon по-прежнему продает иммерсионные сканеры 193 нм для массового производства (особенно используемые на фабриках не передовых поколений или как вспомогательные инструменты), в то время как Canon сосредоточилась на специализированных нишах, таких как наноимпринтная литография (NIL). Новые NIL-машины Canon пытаются «штамповать» чиповые шаблоны механически и заявляют о десятикратном снижении стоимости и на 90% меньшем энергопотреблении по сравнению с EUV-инструментами^[61]^[62]. Canon начала поставки своих первых NIL-инструментов для испытаний в 2024 году ^[63]. Некоторые рассматривают NIL как потенциально прорывную технологию для определённых применений (она может использоваться вместе с традиционной литографией для более простых слоёв или устройств памяти), но пока она не доказала свою эффективность для массового производства самой высокой плотности логических чипов ^[64]. Пока что Nikon и Canon остаются значимыми игроками в области DUV (и для старых техпроцессов), но ASML фактически монополизировала передовую литографию, необходимую для производства самых современных микропроцессоров.
Амбиции Китая – Сокращение отставания в условиях ограничений. Китай, где расположены крупные чиповые фабрики, такие как SMIC, в настоящее время не имеет доступа к EUV-технологии – ASML никогда не разрешалось продавать EUV-сканеры в Китай из-за экспортных ограничений, инициированных США cnfocus.com. Даже продажи новейших DUV-инструментов ASML с иммерсионной литографией в Китай теперь с 2023 года требуют лицензирования правительства Нидерландов ^[65]. Это стимулировало усилия Китая по развитию собственной литографии. Ведущая китайская компания по производству литографического оборудования, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), по сообщениям, создала машины, способные к DUV-литографии класса 90 нм и 28 нм, но пока ничего близкого к EUV (EUV включает в себя огромную экосистему патентов и сложные физические задачи). В результате китайские фабрики, такие как SMIC, смогли произвести чип, похожий на 7 нм, используя старую DUV-многократную экспозицию, но они остаются на пару поколений позади передового края, требующего EUV. Глобальные рыночные тенденции, таким образом, тесно связаны с геополитикой: литографические инструменты стали стратегическим активом. В 2024 году продажи ASML в Китай (в основном DUV-инструменты) составили около 7 миллиардов долларов ^[66], но дальнейший рост остается неопределённым из-за ужесточения экспортного контроля. Тем временем спрос стремительно растет в других регионах, поэтому ASML прогнозирует рост своего бизнеса по EUV примерно на 30% в 2025 году, несмотря на возможные препятствия со стороны Китая ^[67], ^[68].

Проблемы и последние достижения

Хотя ультрафиолетовая литография обеспечила значительный прогресс, она также сталкивается с серьезными проблемами, которые стимулируют постоянные инновации. Вот некоторые ключевые болевые точки и последние достижения, направленные на их решение:

Стоимость и сложность инструмента: Цена EUV-сканеров (~150 миллионов долларов или больше за каждый) и их огромная сложность повышают барьер для входа для производителей чипов ^[69]. Только несколько компаний могут позволить себе большие парки таких инструментов. Чтобы оправдать стоимость, фабрики должны обеспечивать высокую загрузку и высокий выход годных изделий. Прогресс: Следующее поколение High-NA EUV инструментов еще дороже (более 300 миллионов долларов за каждый) ^[70], но обещает большую производительность и разрешение, что потенциально снижает стоимость одного транзистора. Кроме того, усилия в области машинного обучения и вычислительной литографии помогают максимизировать производительность каждого инструмента (улучшая точность формирования рисунка и технологические окна).
Пропускная способность (скорость сканера): Ранние EUV-инструменты обрабатывали меньше пластин в час, чем их DUV-аналоги, отчасти из-за ограниченной мощности источника и более деликатной оптики. Низкая пропускная способность означает меньшую производительность фабрики. Прогресс: Мощность источников EUV постоянно росла (современные источники превышают 250 Вт против ~125 Вт в первых производственных инструментах), и последние EUV-сканеры ASML могут экспонировать ~160 пластин/час в оптимальных условиях. Будущие High-NA EUV системы будут иметь переработанную оптику с более высокой числовой апертурой 0,55 против 0,33, что улучшает разрешение, но изначально уменьшает размер поля. В качестве компенсации ASML разрабатывает эти инструменты так, чтобы в перспективе достичь ~185 пластин/час. Фактически, ASML только что отправила свою первую модель High-NA EUV (EXE:5200) в 2025 году и заявляет, что она обеспечит прирост производительности на 60% по сравнению с текущими EUV-инструментами — примерно 175 пластин/час, что сопоставимо с DUV-сканерами ^[71].
Дефекты и выход годных: Поскольку EUV использует отражающие маски и работает на наноуровне, контроль дефектов является огромной проблемой. Крошечные дефекты маски или частицы могут отпечатываться на пластине, а EUV-фоторезисты и процесс могут проявлять случайные дефекты (стохастические проблемы), если не оптимизированы. Прогресс: Индустрия разработала защитные пелликулы для масок для EUV (чтобы не допускать попадания частиц на маску) после многих итераций. Химия фоторезистов также развивается — новые материалы резистов и подслойные техники улучшили чувствительность и шероховатость края линии. Производители чипов сообщают, что первоначальные проблемы с выходом годных при EUV в основном преодолены, а уровень дефектов сопоставим с предыдущими техпроцессами ^[72]. Тем не менее, исследователи продолжают совершенствовать технологии резистов и масок (включая изучение металлооксидных резистов и других новых подходов для EUV).
Потребление энергии: Как уже упоминалось, EUV-сканеры очень энергоемкие — каждый из них может потреблять порядка мегаватта электроэнергии между лазерным источником, вакуумными насосами и системами охлаждения ^[73]. Это увеличивает значительные эксплуатационные расходы и повышает экологический след фабрик. Достижения: Альтернативные методы литографии, такие как Nanoimprint, нацелены на резкое сокращение энергопотребления (Canon заявляет о снижении энергозатрат на 90%) ^[74]. Внутри самой EUV инженеры стремятся к более эффективным источникам (например, к более высокой эффективности преобразования энергии лазера в EUV-свет), чтобы будущие установки производили больше света при меньших затратах энергии. Даже небольшие улучшения эффективности источника или отражательной способности зеркал могут дать значительную экономию энергии при обработке тысяч пластин.
Пределы оптического разрешения: Даже EUV с длиной волны 13,5 нм в конечном итоге достигнет пределов масштабирования. Текущие EUV-установки (0,33 NA) могут уверенно формировать структуры с шагом ~30 нм; для меньших размеров потребуется многократная экспозиция или High-NA EUV для узлов ~2 нм и ниже. Достижения: High-NA EUV — это, по сути, следующий большой шаг: за счет увеличения числовой апертуры объектива до 0,55 с новым оптическим дизайном (что, кстати, требует нового размера маски 6 дюймов и совершенно новой платформы оборудования), эти системы смогут формировать элементы на ~30–40% меньшего размера ^[75]. ASML утверждает, что High-NA EUV может почти утроить плотность транзисторов на чипах, позволяя создавать более тонкие элементы и более плотную компоновку ^[76]. Первые установки High-NA EUV планируется использовать в пилотном режиме компанией Intel примерно в 2025–2026 годах, а массовое внедрение ожидается к ~2028 году ^[77]. Это развитие должно обеспечить индустрии переход к узлам 2 нм, 1,5 нм и 1 нм (несмотря на названия, речь идет о шагах структур в несколько десятков нанометров). После этого могут потребоваться другие подходы (например, концепции “Beyond EUV” с еще более короткими длинами волн или революционные методы формирования структур).
Альтернативные методы литографии: Концентрация критически важной литографической технологии в одной компании (ASML) и одной технологии (EUV) вызвала интерес к альтернативным или вспомогательным методам. Достижения: Помимо NIL от Canon, ведутся работы над направленной самосборкой (DSA) — использованием специальных материалов, которые самопроизвольно формируют очень тонкие узоры и могут дополнять литографию для определённых структур. Другой подход — мультифотонная или квантовая литография, которая пока в основном остаётся академической. Электронно-лучевая литография (прямое нанесение с помощью электронных пучков) используется для изготовления масок и прототипирования, но слишком медленна для массового производства. Тем не менее, компании исследуют многолучевые электронно-лучевые инструменты для нишевого паттернирования. Если эти альтернативы будут доработаны, однажды они смогут снизить нагрузку на оптическую литографию или удешевить некоторые слои. Пока что это «приятные, но не обязательные» исследования, в то время как оптическая УФ-литография остаётся незаменимой основой.

Экспертные мнения и перспективы развития

Общий консенсус среди отраслевых экспертов таков, что ультрафиолетовая литография останется краеугольным камнем производства чипов в обозримом будущем, хотя и с постоянной эволюцией. «Мы продолжаем инженерить и развивать… для нас и наших клиентов это крутая кривая обучения», — сказал представитель ASML о внедрении High-NA EUV, подчеркнув, что каждый новый скачок (например, High-NA) требует тщательной настройки ^[78]. Аналитики также предупреждают, что экономическая эффективность будет определять внедрение: «Хотя некоторые производители чипов могут внедрить [High-NA EUV] раньше ради технологического лидерства, большинство не примет её, пока это не станет экономически оправдано», — отметил Джефф Кох из SemiAnalysis, предсказывая, что большинство подождёт до ~2030 года, когда преимущество оправдает расходы^[79]. В ответ генеральный директор ASML Питер Веннинк настаивает, что High-NA докажет свою ценность раньше: «Всё, что мы видим у клиентов, — High-NA дешевле [для них]» для достижения следующего уровня масштабирования ^[80]. Этот оптимистичный взгляд предполагает, что по мере роста сложности более продвинутая литография может на самом деле снизить общие затраты, устраняя дополнительные этапы процесса.

Невозможно переоценить центральную роль ASML — этот факт не ускользнул от внимания правительств. В мире, где передовые чипы обеспечивают экономические и военные преимущества, оборудование для литографии стало стратегическим активом. Правительство Нидерландов (при поддержке США) строго ограничило экспорт ASML передовых инструментов в Китай ^[81], мера, направленная на «сдерживание полупроводниковых амбиций Пекина»^[82]. Это привело к расслоению глобальной цепочки поставок чипов: самые передовые логические чипы в настоящее время производятся только в нескольких местах (Тайвань, Южная Корея и вскоре США на фабриках TSMC/Intel), все с использованием EUV-машин ASML. Китай активно инвестирует в развитие старых технологических процессов и создание собственной литографии, но эксперты оценивают, что на достижение паритета могут уйти многие годы, если это вообще возможно, учитывая огромные барьеры в знаниях и интеллектуальной собственности.

Тем временем, спрос на инструменты для УФ-литографии стремительно растет вслед за бумом полупроводников. Рост ИИ и высокопроизводительных вычислений заставляет ведущие фабрики расширять мощности. Книга заказов ASML на EUV-инструменты достигла рекордных высот — в одном из недавних кварталов заказы выросли до $10 млрд, в основном на будущие системы EUV и High-NA ^[83]. Компания прогнозирует, что выручка, связанная с EUV, вырастет примерно на 40–50% в 2025 году ^[84], что поможет увеличить общие продажи несмотря на замедление спроса со стороны производителей памяти или Китая ^[85]. Другими словами, рынок передовой литографии остается устойчивым и растущим, и ASML ожидает поставлять еще десятки EUV-установок ежегодно. К 2030 году High-NA EUV, вероятно, будет широко распространен, и начнутся обсуждения того, что придет на смену эпохе EUV.

Что может быть дальше? Некоторые исследователи говорят о «пост-EUV» — возможно, использовании еще более коротких длин волн в диапазоне мягкого рентгена (~6–8 нм) или проекционной литографии с электронами/ионами, — но каждый из этих путей сталкивается с серьезными физическими трудностями. Пока что стратегия индустрии — выжать максимум из EUV: сначала внедрить High-NA EUV для еще 1–2 поколений уменьшения, а также сочетать EUV с умной интеграцией процессов (например, архитектуры чиплетов и 3D-укладка, которые уменьшают потребность в монолитном 2D-уменьшении). Литография останется смесью техник: DUV никуда не исчезнет (она будет использоваться вместе с EUV), а новые методы, такие как наноимпринт, могут занять свою нишу для дополнения основных процессов, если докажут свою состоятельность. Но любой радикальный отход от оптической литографии, вероятно, потребует смены парадигмы и в проектировании чипов — чего пока не видно на горизонте для массового производства.

Как сказал председатель TSMC Марк Лю, полупроводниковая индустрия «работала в туннеле» с четкой целью десятилетиями: уменьшать, уменьшать, уменьшать ^[86]. Ультрафиолетовая литография была светом, освещающим этот туннель. Всё началось с ртутных ламп и примитивного УФ, затем появились эксимерные глубокоуф-лазеры, которые служили нам более 20 лет ^[87], и теперь мы вступили в эпоху экстремального УФ, продлевая туннель дальше. Этот путь был далеко не легким — отмечен моментами триумфа и частыми сомнениями — но результат поистине поразителен: миллиарды структур шириной в десятки атомов, идеально нанесённых на большие пластины, что позволяет совершать вычислительные подвиги, казавшиеся невозможными поколение назад.

Если смотреть в будущее, разработка микропроцессоров связана с литографией теснее, чем когда-либо. Производительность и возможности следующих CPU, GPU и AI-ускорителей во многом будут определяться тем, насколько тонко и надёжно мы сможем печатать их элементы. Ультрафиолетовая литография — главный инструмент, делающий это возможным. Эксперты отрасли оптимистичны: благодаря постоянным инновациям — от High-NA-оптики до более умного ПО и, возможно, нестандартных идей вроде NIL или DSA — литография продолжит развиваться. Генеральный директор ASML даже утверждает, что дорожная карта для EUV и его расширений надёжна на ближайшее десятилетие, давая производителям чипов чёткую перспективу для дальнейших улучшений. Глобальные рыночные тренды показывают здоровый рост и острую конкуренцию, но также и консолидацию вокруг нескольких ключевых технологий и поставщиков.

В заключение, мир ультрафиолетовой литографии — это сплав передовой физики и инженерии с экономикой и стратегией высокого уровня. Она может работать в невидимом диапазоне УФ-излучения, но её влияние ярко проявляется в виде всё более мощных микропроцессоров год за годом. В следующий раз, когда услышите о новом прорыве в «нанометровых» чипах, вспомните об ультрафиолетовой революции, работающей за кулисами. От глубокого УФ до экстремального УФ и дальше — эти технологии действительно формируют будущее микрочипов — высвечивая новые строки в истории технологического прогресса человечества, вспышка за вспышкой фотонов.

Источники

A. Шилов, «Новая технология производства чипов методом “штамповки” использует на 90% меньше энергии, чем EUV», Tom’s Hardware, 31 января 2024 tomshardware.com Samsung Newsroom, «Samsung Electronics начинает массовое производство на новой линии EUV», февраль 2020 semiconductor.samsung.com Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), «Технология 7nm FinFET Plus (N7+) — первая с использованием EUV (2019)» tsmc.com S&P Global Market Intelligence, «ASML готовится к росту, обусловленному ИИ, на фоне увеличения спроса на EUV и High-NA», сентябрь 2023 spglobal.com

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

Смотрите это видео на YouTube.

C. Thompson, “Inside the machine that saved Moore’s Law,” MIT Technology Review, 27 октября 2021 г. ^[88]^[89]
Wikipedia, “Photolithography – Current state-of-the-art tools use 193 nm deep UV excimer lasers” ^[90]
M. Chaban, “Lighting the way: How ASML revived Moore’s Law,” Google Cloud Blog, 28 марта 2023 г. ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Exploring the Future of EUV Lithography and Beyond,” 4 ноября 2024 г. ^[93]
T. Sterling, “Intel orders ASML system for well over $340 mln in quest for chipmaking edge,” Reuters, 19 января 2022 г. ^[94]
T. Sterling, “ASML’s next chip challenge: rollout of its new $350 mln ‘High NA EUV’ machine,” Reuters, 9 февраля 2024 г. ^[95]
TrendForce News, “ASML Confirms First High-NA EUV EXE:5200 Shipment…,” 17 июля 2025 г. ^[96]
T. Sterling, “Dutch government excludes most ASML sales to China from export data,” Reuters, 17 января 2025 г. ^[97]