Ultraljubičasta revolucija: Unutar nevidljivih mašina od 150 miliona dolara koje oblikuju budućnost mikročipova

Mašine za ultraljubičastu litografiju koštaju više od 150 miliona dolara po komadu i veličine su autobusa.
Posmatrači industrije najnoviju generaciju ovih alata nazivaju „mašinama koje su spasile Murov zakon“ jer omogućavaju savremene procesore najnovije generacije.
ASML je jedini dobavljač EUV litografskih sistema, pri čemu EUV alati koštaju oko 150–180 miliona dolara po komadu.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) je prvi put upotrebio EUV u masovnoj proizvodnji na svom 7nm+ (N7+) procesu 2019. godine.
Ekstremna ultraljubičasta litografija koristi svetlost talasne dužine 13,5 nm, koja se proizvodi ispaljivanjem lasera velike snage na kapljice kalaja kako bi se stvorila plazma koja emituje EUV zračenje, pri čemu potrošnja energije alata prelazi 1 megavat.
ASML je isporučio prvi High-NA EUV alat, EXE:5200, 2025. godine, koji povećava numeričku aperturu na 0,55 i cilja na oko 175 pločica na sat.
Prvi komercijalni EUV čipovi pojavili su se 2019. godine, sa TSMC-ovim 7nm+ (N7+) procesom i Samsungovim 7LPP koji koriste EUV.
Izvozne kontrole sprečavaju ASML da prodaje EUV Kini, dok je prodaja ASML-a Kini 2024. iznosila oko 7 milijardi dolara, uglavnom od DUV alata.
Nikon i Canon su se povukli iz razvoja EUV-a; Nikon nastavlja da isporučuje 193 nm imerzijske skenere, dok se Canon fokusira na nanoimprint litografiju (NIL) sa probnim isporukama 2024. godine.
Samsungova DRAM memorija klase 14 nm koristi EUV na nekoliko slojeva, a Micron planira EUV za svoj sledeći DRAM čvor.

Svaki savremeni mikroprocesor – od čipa u vašem pametnom telefonu do CPU-ova koji pokreću AI u oblaku – nastaje pod ultraljubičastim svetlom. Zapravo, neke od najnaprednijih proizvodnih mašina na svetu usmeravaju nevidljive ultraljubičaste lasere na silicijumske pločice kako bi urezale nanoskalne strujne krugove koji omogućavaju rad mikročipova. Ove mašine koštaju više od 150 miliona dolara po komadu, veličine su autobusa i rade sa gotovo naučno-fantastičnom složenošću – a ipak su one neopevani radni konji iza Murovog zakona i neprekidnog napretka ka bržim, manjim i efikasnijim procesorima ^[1], ^[2]. Posmatrači industrije su čak najnoviju generaciju ovih alata nazvali „mašinama koje su spasile Murov zakon“, jer bi bez njih izrada najnaprednijih čipova bila praktično nemoguća ^[3]. Ovaj izveštaj ulazi u svet ultraljubičaste litografije – kako u njenoj tradicionalnoj dubokoj ultraljubičastoj (DUV), tako i u najsavremenijoj ekstremnoj ultraljubičastoj (EUV) formi – objašnjavajući kako funkcioniše, zašto je toliko ključna za razvoj mikroprocesora i kuda se dalje kreće.

Ultraljubičasta litografija možda zvuči kao ezoterično inženjerstvo, ali njen uticaj je veoma stvaran i vidljiv u našem svakodnevnom životu. Štampanjem sve finijih šara tranzistora na silicijumu, UV litografija direktno omogućava izuzetan tempo napretka tehnološke industrije. Kako je jedan tehnološki analitičar grubo rekao, „Murov zakon se praktično raspada, i bez ove mašine, on nestaje. Ne možete zaista napraviti nijedan vodeći procesor bez EUV-a.”^[4] Drugim rečima, budućnost mikročipova – i svih uređaja i inovacija koje oni pokreću – sada zavisi od korišćenja svetlosti na izuzetno malim talasnim dužinama. U nastavku ćemo objasniti kako funkcioniše ovo štampanje pomoću svetlosti, kako se razvilo u najnoviju EUV tehnologiju, ko su glavni akteri (od holandskog proizvođača alata ASML do čip giganata kao što su TSMC, Samsung i Intel), najnovija dostignuća (poput sledeće generacije EUV mašina i alternativnih tehnika), i šta stručnjaci iz industrije kažu o budućnosti.

Šta je ultraljubičasta litografija?

U svojoj suštini, litografija u proizvodnji čipova je slična fotografiji na silicijumu. Silicijumski disk se prekriva materijalom osetljivim na svetlost (fotoresist), a mašina koristi fokusiranu svetlost da projektuje složene šare kola na taj disk kroz masku nalik šablonu. Šare odgovaraju sićušnim tranzistorima i žicama koje čine mikroprocesor. Gde god svetlost padne, hemijski menja rezist tako da se ti regioni mogu urezivati ili obrađivati, dok prekrivena područja ostaju zaštićena. Ponavljanjem ovog procesa sloj po sloj sa izuzetnom preciznošću, proizvođači čipova grade složenu arhitekturu modernog integrisanog kola.

Ključ za rezoluciju u ovom procesu „štampanja“ je talasna dužina svetlosti. Kao što finija četkica omogućava umetniku da slika sitnije detalje, kraća talasna dužina svetlosti omogućava proizvođačima čipova da urezbaruju finije karakteristike. Decenijama, industrija poluprovodnika je stalno težila ka kraćim talasnim dužinama na elektromagnetnom spektru kako bi štampala sve manje tranzistore ^[5]. Rani čipovi iz 1960-ih koristili su vidljivu i dugotalasnu UV svetlost (g-linija na 436 nm, i-linija na 365 nm), ali do 1990-ih, najsavremenija tehnologija prešla je u opseg dubokog ultraljubičastog zračenja sa snažnim eksajmer laserima na 248 nm (KrF) i kasnije na 193 nm (ArF)^[6]. Svetlost na 193 nm – oko 1/5 talasne dužine vidljive svetlosti – postala je oslonac za proizvodnju čipova tokom 2000-ih i 2010-ih. Ova DUV (deep UV) litografija omogućila je minimalne karakteristike reda veličine ~50 nm i manje, naročito nakon uvođenja trikova kao što su imerzivne sočiva i višestruka izlaganja ^[7]. Zapravo, „eksajmer laserska litografija“ na 248 nm i 193 nm bila je toliko uspešna da je pokretala Murov zakon oko dve decenije, omogućavajući da se veličine tranzistora stalno smanjuju, a gustina čipova udvostručuje prema planu ^[8].

Međutim, do kasnih 1990-ih i ranih 2000-ih, inženjeri su znali da se približavaju zidu talasne dužine sa 193 nm svetlom ^[9]. Da bi se iscrtale karakteristike mnogo manje od ~40–50 nm, litografija sa 193 nm morala je da pribegne sve zamršenijim metodama: egzotičnim optičkim trikovima, višestrukim šabloniranjem (izlaganje istog sloja više puta sa pomerenim maskama radi postizanja finijeg efektivnog razmaka), i drugim domišljatim rešenjima ^[10], ^[11]. Ove tehnike su produžile vek DUV alata (zaista, proizvođači čipova su razvukli 193 nm sve do čvorova koji su se reklamirali kao 10 nm ili čak 7 nm koristeći dvostruko, trostruko ili četvorostruko šabloniranje), ali po cenu ogromne složenosti, nižeg prinosa i vrtoglavo visokih troškova proizvodnje. Do sredine 2010-ih, bilo je jasno da tradicionalni DUV jedva može da ide dalje – industriji je bio potreban skok na kraću talasnu dužinu svetlosti da bi se održao korak sa Murovim zakonom ^[12].

Duboko ultraljubičasta (DUV) litografija: Radni konj

Duboko UV litografija (koristeći ~248 nm i 193 nm lasere) bila je tehnologija radni konj za proizvodnju čipova kroz mnoge generacije. DUV alati su u suštini izuzetno precizni projektovani optički sistemi: oni usmeravaju UV laser kroz masku sa šablonom i niz redukcionih sočiva kako bi bacili umanjenu sliku na silicijumsku ploču. Moderni 193 nm sistemi čak popunjavaju razmak između sočiva i ploče ultra-čistom vodom (imersiona litografija) kako bi efektivno povećali numeričku aperturu sočiva i omogućili razlučivanje manjih karakteristika ^[13]. Koristeći ove metode, 193 nm imersiona litografija postala je sposobna da štampa karakteristike daleko ispod svoje nominalne talasne dužine – ali samo primenom tehnika za poboljšanje rezolucije i ponovljenim izlaganjima. Na primer, pre dolaska EUV, vodeći čipovi na 7 nm čvoru su se realizovali DUV-om koristeći četiri odvojena koraka maskiranja za jedan sloj (četvorostruko šabloniranje) – neverovatno složen poduhvat preciznog poravnanja.

DUV litografija je veoma zrela i pouzdana. DUV uređaji kompanija kao što su ASML, Nikon i Canon i dalje obrađuju većinu slojeva u današnjoj proizvodnji čipova (čak i u najsavremenijim fabrikama, samo najkritičniji slojevi koriste EUV, dok se manje kritični slojevi i dalje rade sa više DUV ekspozicija). Ove mašine su takođe značajno jeftinije od najnovijih EUV uređaja – vrhunski imerzijski DUV skener može koštati oko 50–100 miliona dolara, dok EUV uređaj košta preko 150 miliona dolara ^[14]. Kao rezultat toga, DUV uređaji ostaju nezaobilazni ne samo za čipove starijih generacija (gde su veličine karakteristika veće i lakše za štampanje), već i kao dopuna EUV-u u naprednim procesima. Zapravo, DUV prodaja i dalje čini većinu isporučenih litografskih uređaja svake godine ^[15]. Proizvođači čipova imaju ogromnu bazu instaliranih DUV skenera i veliko iskustvo u njihovoj upotrebi.

Međutim, uprkos stalnim usavršavanjima, 193 nm DUV je dostigao fundamentalno ograničenje u tome koliko još može da se smanji bez neodrživog napora. Praktična rezolucija u optičkoj litografiji otprilike prati Rajlijev kriterijum: minimalna veličina karakteristike ≈ k₁ · (λ/NA), gde je λ talasna dužina, a NA otvor sočiva. Sa λ fiksiranim na 193 nm i NA maksimalno oko 1,35 (imerzija), proizvođači čipova su smanjili k₁ do njegovih teorijskih granica koristeći računarske trikove – ali da bi se nastavilo sa smanjenjem veličine karakteristika, i sama λ je morala da se smanji. Oko 2019. godine, vodeće fabrike kao što su TSMC i Samsung komercijalno su uvele novi izvor svetlosti za litografiju na 13,5 nm talasne dužine – skoro 15 puta kraće od DUV-ovih 193 nm ^[16]. Ovo je označilo početak ere ekstremne ultraljubičaste litografije.

Prelazak na ekstremnu ultraljubičastu (EUV) litografiju

Ekstremna ultraljubičasta litografija (EUV) koristi drastično kraću talasnu dužinu svetlosti – 13,5 nm, na granici između UV i X-zraka – za izlaganje čipova. Prelaskom na ovako mnogo finiju “četkicu”, EUV može da štampa mnogo manje tranzistore i karakteristike jednim izlaganjem, izbegavajući mnoge komplikovane višestruke korake šabloniranja koji su potrebni kod DUV na naprednim čvorovima ^[17]. U praktičnom smislu, EUV litografija je omogućila masovnu proizvodnju čipova u tehnološkim generacijama od 7 nm, 5 nm i 3 nm, sa znatno manje procesnih koraka i boljim prinosima nego što je to moguće isključivo DUV pristupom. Na primer, tajvanski TSMC je koristio EUV na nekoliko ključnih slojeva počevši od svog 7 nm+ (N7+) procesa 2019. godine – prvi komercijalni proces koji koristi EUV ^[18] – a zatim intenzivno za svoje 5 nm čvorove koji pokreću procesore kao što su Apple-ovi A15 i A16 Bionic čipovi za pametne telefone ^[19]. Samsung je slično započeo masovnu proizvodnju sa EUV početkom 2019. na svom 7LPP procesu i od tada koristi EUV za 5 nm pa čak i u proizvodnji memorijskih čipova^[20], ^[21]. Ovi potezi su promenili pravila igre: korišćenjem svetlosti od 13,5 nm, proizvođači čipova su mogli da štampaju karakteristike sa jednim šablonom izlaganja koje su ranije zahtevale više DUV prolaza, pojednostavljujući proizvodnju i omogućavajući gušće pakovanje tranzistora nego ikada ranije^[22].

Međutim, EUV litografija nije bila laka revolucija. Bilo je potrebno više od dve decenije istraživanja i oko 9–10 milijardi dolara ulaganja u istraživanje i razvoj da bi EUV postao održiv za proizvodnju u velikim količinama ^[23]^[24]. Izazovi su bili ogromni jer se svetlost talasne dužine 13,5 nm ponaša veoma drugačije od svetlosti od 193 nm. Na primer, nijedan materijal nije providan na 13,5 nm – ne možete koristiti refraktivne sočiva ili konvencionalne staklene maske. Umesto toga, EUV sistemi koriste potpuno ogledalski optički sistem: niz precizno izrađenih višeslojnih ogledala sa posebnim premazima koji reflektuju svetlost od 13,5 nm (svako ogledalo reflektuje samo deo svetlosti, tako da sa više ogledala intenzitet drastično opada) ^[25]. Fotomaska je takođe reflektujući ogledalski supstrat, a ne providna staklena ploča. Sve ovo mora da radi u vakuumu (vazduh bi apsorbovao EUV). Ukratko, EUV skeneri su potpuna redizajn optičkog sistema u poređenju sa DUV alatima, uključujući egzotičnu optiku i ekstremnu preciznost.

Zatim, tu je izvor svetlosti: kako uopšte generisati ultraljubičasto svetlo visokog intenziteta na 13,5 nm? Odgovor zvuči kao naučna fantastika: EUV alati stvaraju svetlost tako što ispaljuju snažan laserski puls na sićušne kapljice rastopljenog kalaja, 50.000 puta u sekundi ^[26], ^[27]. Svaki laserski puls isparava kapljicu kalaja u izuzetno vruću plazmu koja emituje EUV zračenje – u suštini, minijaturna eksplozija nalik zvezdi koja se dešava unutar mašine. Ovi plazma bljeskovi proizvode željeno svetlo od 13,5 nm zajedno sa mnogo druge neželjene radijacije i ostataka, pa sistem mora da filtrira i prikupi odgovarajuću talasnu dužinu i zaštiti sve ostalo. EUV svetlost se zatim fokusira ogledalima i usmerava na pločicu u određenim šablonima. To je izuzetno neefikasan proces kada je u pitanju generisanje svetlosti (većina energije se gubi kao toplota), zbog čega laser koji napaja izvor mora biti neverovatno snažan. Izvor svetlosti EUV skenera može trošiti oko >1 megavat snage da bi obezbedio dovoljan EUV fluks fotona za masovnu proizvodnju ^[28]. Nasuprot tome, eksajmer laser od 193 nm koristi samo mali deo te snage. Ovo objašnjava zašto EUV alati imaju ogromne zahteve za napajanjem i hlađenjem, i zašto alternativne tehnike poput nanoimprint litografije (koja uopšte ne koristi lasere) ističu uštedu energije od oko 90% ^[29].

Kompleksnost se tu ne završava. Pošto su EUV fotoni toliko energetski jaki, mogu izazvati suptilne stohastičke efekte u fotoresistu (slučajne varijacije koje mogu izazvati defekte ako se ne ublaže), a EUV maske se ne mogu lako zaštititi uobičajenim pelikulama (razvijanje posebnih EUV pelikula bio je još jedan višegodišnji napor). Svaki deo sistema – od vakuumskih stejdževa, preko pozicionera pločica sa 6 stepeni slobode koji se kreću brzinom od nekoliko metara u sekundi, do inspekcije defekata na tim višeslojnim ogledalima – pomerao je granice inženjeringa. „To je veoma teška tehnologija – po kompleksnosti je verovatno u rangu Menhetn projekta,” primetio je direktor litografije u Intelu, ilustrujući koliko je razvoj EUV bio izazovan ^[30].

Dugi niz godina, mnogi stručnjaci sumnjali su da će EUV ikada raditi na vreme. Glavni igrači Nikon i Canon su odustali od istraživanja EUV-a nakon što su naišli na previše prepreka, ostavljajući ASML (Holandija) kao jedinu kompaniju koja gura ovu tehnologiju napred^[31]^[32]. ASML-ova opklada se na kraju isplatila – ali ne bez pomoći. Godine 2012, prepoznajući strateški značaj EUV-a, veliki proizvođači čipova Intel, TSMC i Samsung su zajednički investirali oko 4 milijarde dolara u ASML kako bi ubrzali razvoj EUV-a ^[33]. Do 2017. godine, ASML je konačno predstavio EUV skener spreman za proizvodnju (model NXE:3400B), a do 2019. prvi komercijalni čipovi napravljeni EUV-om su počeli da izlaze ^[34]^[35]. Posmatrači industrije su to pozdravili kao prekretnicu – dugo odlagana EUV revolucija stigla je baš na vreme da produži putokaz za razvoj poluprovodnika. Kako je MIT Technology Review primetio, ASML-ov EUV alat je „željeni uređaj… koristi se za izradu karakteristika mikročipova malih kao 13 nanometara… ispunjen sa 100.000 sićušnih mehanizama… potrebna su četiri aviona tipa 747 da bi se jedan isporučio kupcu“ ^[36]. Ukratko, EUV skeneri su čuda moderne inženjerije koja koriste ultraljubičasto svetlo na skali i složenosti kakva do sada nije viđena.

Zašto je UV litografija važna za mikroprocesore

Rezultat sve ove složenosti je jednostavan: manji tranzistori i veće performanse čipova. Preciznijim ispisivanjem karakteristika, proizvođači čipova mogu ugurati više tranzistora na istu površinu (što obično znači veću računarsku snagu ili nižu cenu po čipu) i smanjiti električne kapacitivnosti i udaljenosti koje signali moraju da pređu (što znači brže brzine preklapanja i manju potrošnju energije). Ovo je suština Murovog zakona – smanjenje dimenzija tranzistora kako bi se više njih spakovalo u svaku generaciju čipova – a litografija je osnovni pokretač tog napretka ^[37], ^[38]. Kada čujete za novi čip za pametni telefon napravljen u “3 nm procesu” ili serverski CPU u “5 nm EUV tehnologiji”, ti brojevi uglavnom odražavaju mogućnosti napredne litografije da definiše izuzetno male karakteristike (iako su nazivi čvorova donekle marketinški, oni su povezani sa poboljšanjima gustine koja je EUV omogućio).

Značaj ultraljubičaste litografije možda se najbolje ilustruje razmatranjem šta bi se desilo bez ovih napredaka. Da je industrija ostala samo na 193 nm DUV, proizvođači čipova bi možda i dalje mogli da prave veoma moćne čipove – ali bi im bilo potrebno toliko ponavljajućih procesnih koraka (i složenosti koja smanjuje iskoristivost) da bi troškovi drastično porasli, a napredak bi se znatno usporio. Zaista, sredinom 2010-ih, neki su predviđali skori kraj Murovog zakona jer je optička litografija nailazila na granice. EUV je stigao baš na vreme da pruži novi spas. Vraćanjem jednostavnijeg, jednog izlaganja na samoj granici mogućnosti, EUV je produžio putanju skaliranja za bar još nekoliko generacija. Mnogi od najnaprednijih današnjih čipova duguju svoje postojanje EUV-u. Na primer, najnoviji Apple A-serije procesori za pametne telefone i M-serije Mac čipovi proizvode se u TSMC-u koristeći 5 nm EUV procese, što omogućava broj tranzistora od desetina milijardi i značajan skok u brzini i efikasnosti u odnosu na prethodne generacije ^[39]. AMD-ovi Ryzen CPU-ovi i GPU-ovi, od kojih su mnogi napravljeni na TSMC 7 nm ili 5 nm EUV čvorovima, takođe uživaju u povećanju gustine i uštedi energije. Čak i najsavremeniji AI akceleratori i procesori za data centre – oni koji pokreću velike AI modele – oslanjaju se na EUV 5 nm/4 nm procese kako bi gusto spakovali matrične računarske jedinice i upravljali termalnim opterećenjem.

Nije reč samo o logičkim čipovima. Memorijski čipovi takođe ubiru koristi od napretka u UV litografiji. Proizvođači visokoperformansnih DRAM memorija su počeli da koriste EUV za određene kritične slojeve u svojim najnovijim generacijama (npr. Samsung-ov DRAM klase 14 nm koristi EUV na nekoliko slojeva) kako bi povećali gustinu bita i poboljšali prinose ^[40]. Micron takođe uvodi EUV u svom sledećem DRAM čvoru. Više EUV slojeva u memoriji znači više gigabita skladišta po čipu i nižu cenu po bitu, što na kraju znači više memorije u vašim uređajima za istu cenu. Zapravo, izvršni direktor ASML-a Peter Wennink je istakao da rastuća potražnja za veštačkom inteligencijom i podacima podstiče proizvođače memorije da brzo usvoje EUV – „Proizvođači DRAM-a koriste više EUV slojeva na trenutnim i budućim čvorovima”, napomenuo je, što povećava potražnju za ovim alatima u celoj industriji ^[41].

Ukratko, UV litografija direktno utiče na mogućnosti mikroprocesora. Sposobnost izrade manjih tranzistora ne samo da omogućava da se na čip smesti više jezgara ili više keša, već može i da smanji potrebnu snagu za preklapanje svakog tranzistora. Zato svaka nova generacija procesa često donosi 15–30% poboljšanja performansi i 20–50% smanjenja potrošnje energije pri istom dizajnu, ili alternativno omogućava udvostručavanje ili više gustine tranzistora. Na primer, prelazak TSMC-a sa 7 nm (uglavnom DUV) procesa na 5 nm (EUV) doneo je oko 1,8× povećanje gustine logike i ~15% povećanje brzine pri istoj potrošnji ^[42]. Ta poboljšanja se prevode u brže pametne telefone, efikasnije data centre i proboje u zadacima visokih performansi. Ultraljubičasta litografija je nevidljiva ruka koja ove napretke urezuje u silicijum. Kako je jedan direktor istraživanja iz industrije to sažeo: „Bez EUV-a, zaista ne možete napraviti nijedan vodeći procesor”^[43] – toliko je ključna za ostanak na putanji napretka.

Trenutno stanje tehnologije i glavni akteri

Od 2025. godine, ultraljubičasta litografija je u srcu svake napredne fabrike čipova, a njom dominira nekoliko ključnih aktera i tehnologija. Evo pregleda trenutnog pejzaža i glavnih sila koje ga pokreću:

ASML (Holandija) – Stub litografije. ASML je jedini dobavljač EUV litografskih sistema na svetu ^[44]. Krajem 2010-ih postala je prva (i jedina) kompanija koja je komercijalizovala EUV skenere, nakon što su konkurenti odustali ^[45]. Njeni EUV alati (od kojih svaki košta oko 150–180 miliona dolara ^[46], ^[47]) koriste svi vodeći proizvođači čipova. ASML takođe proizvodi DUV skenere (gde se takmiči sa Nikonom/Kanonom za udeo na tržištu). Zahvaljujući EUV tehnologiji, ASML je izrastao u jednu od najvrednijih svetskih firmi za opremu u poluprovodničkoj industriji – praktično držeći monopol nad najnaprednijom litografskom tehnologijom. Jedna najsavremenija fabrika može zahtevati flotu od 10–20 ASML EUV mašina, što predstavlja višemilionsku investiciju. Do 2021. godine, više od 100 EUV alata je već bilo u upotrebi ^[48], a taj broj nastavlja da raste kako TSMC, Samsung i Intel šire upotrebu EUV tehnologije. (Posebno, izvozne kontrole trenutno sprečavaju ASML da prodaje EUV mašine Kini, zbog njihove strateške važnosti ^[49].)
TSMC (Tajvan) – Pionir foundry proizvodnje u EUV. TSMC je najveći svetski proizvođač čipova po ugovoru i bio je prvi koji je uveo EUV u masovnu proizvodnju (njegov 7nm+ “N7+” čvor iz 2019. bio je prvi industrijski EUV proces) ^[50]. TSMC je od tada intenzivno koristio EUV za svoju generaciju od 5 nm (2019–2020) i čvorove od 4 nm/3 nm, proizvodeći čipove za Apple, AMD, Nvidia i mnoge druge sa svetski poznatim prinosima. Korišćenjem EUV na brojnim kritičnim slojevima, TSMC je postigao povećanje gustine koje definiše te čvorove. TSMC-ovo rano savladavanje EUV tehnologije je jedan od glavnih razloga zašto je pretekao Intel u procesnoj tehnologiji poslednjih godina. Gledajući unapred, TSMC planira da nastavi sa korišćenjem trenutnog EUV (0.33 NA) kroz svoje 3 nm, pa čak i 2 nm čvorove, i razmatra sledeću generaciju EUV za dalje od toga ^[51]. (Zanimljivo, TSMC je nagovestio da možda neće žuriti sa usvajanjem prvih High-NA EUV alata za svoje procese iz ere 2 nm oko 2027–2028, radije čekajući dok ekonomija ne bude imala smisla ^[52].)
Samsung (Južna Koreja) – Usvajač EUV u memoriji i logici. Samsung je brzo usvojio EUV za logiku, najavljujući 7 nm EUV proizvodnju još 2019. (njegovi Exynos mobilni procesori i neki Qualcomm Snapdragon čipovi su koristili ove). Samsung je takođe predvodio upotrebu EUV u memoriji, postavši prvi koji je koristio EUV u proizvodnji DRAM-a (za svoj 1z-nm DRAM čvor) i u V-NAND slojevitosti ^[53]. Samsungova fabrika sposobna za EUV u Hwaseongu je bila izlog, a kompanija nastavlja da ulaže u EUV i za svoj foundry biznis i za memorijski biznis. Kao i TSMC, Samsung je kupac ASML-ove nadolazeće High-NA EUV tehnologije, iako izveštaji sugerišu da Samsung još nije odlučio kada će te alate uvesti u proizvodnju ^[54]. U međuvremenu, Samsungovi trenutni vodeći procesi (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around tranzistori) svi koriste EUV za smanjenje koraka maskiranja. Samsung i dalje proizvodi mnoge čipove koristeći DUV i starije alate, ali za vodeću tehnologiju u potpunosti koristi EUV.
Intel (SAD) – Utrka za povratak na vrh. Intel, koji je dugo bio lider u litografiji, suočio se sa kašnjenjima na svom 10 nm čvoru (koji je koristio napredno DUV višestruko šabloniranje) i zbog toga je zaostao u usvajanju EUV tehnologije. Međutim, od tada je mnogo investirao kako bi sustigao konkurenciju. Najnovije Intelove generacije procesa (brendirane kao „Intel 4”, „Intel 3”, otprilike ekvivalentne ~7 nm i ~5 nm klasi) koriste EUV litografiju za više slojeva – na primer, Intel 4 koristi EUV u proizvodnji nadolazećih Meteor Lake procesora ^[55]. Intel je takođe bio rani investitor u ASML i obezbedio je prioritetni pristup ASML-ovim High-NA EUV mašinama: dobio je prvi High-NA EUV alat na svetu (EXE:5000 serija) 2023. godine za istraživanje i razvoj i planirano je da dobije prvi proizvodni High-NA alat (EXE:5200) do 2024–2025. godine ^[56], ^[57]. Intel planira da koristi te High-NA EUV skenere za svoje 1,8 nm i 14Å-generacijske čvorove (~2027. godina) kao deo svoje ambiciozne mape puta za povratak liderske pozicije u procesima ^[58], ^[59]. Sa novim rukovodstvom, Intel otvoreno promoviše svoje prihvatanje EUV tehnologije i čak usluge kao foundry koristeći EUV za izradu čipova za druge kompanije u bliskoj budućnosti.
Nikon i Canon (Japan) – Veterani DUV-a, istražuju alternative. Nikon i Canon su nekada bili dominantni dobavljači litografskih uređaja (tokom 1990-ih, posebno je Nikon prednjačio u najsavremenijim stepperima). Oni i dalje proizvode DUV litografske alate – zapravo, dugi niz godina Nikon je isporučivao mašine za Intel i proizvođače memorije. Ali nijedna kompanija nije isporučila EUV rešenje: obe su odustale od razvoja EUV-a nakon istraživanja s početka 2000-ih, prepustivši to tržište ASML-u ^[60]. Danas Nikon još uvek prodaje 193 nm imerzijske skenere za masovnu proizvodnju (posebno korišćene u fabrikama koje ne koriste najsavremenije čvorove ili kao dopunski alati), dok se Canon fokusirao na specijalizovane niše poput nanoimprint litografije (NIL). Canonove nove NIL mašine pokušavaju mehanički da „utisnu” šablone čipova i tvde da su za red veličine jeftinije i troše 90% manje energije od EUV alata^[61]^[62]. Canon je počeo da isporučuje svoje prve NIL alate za probu 2024. godine ^[63]. Neki vide NIL kao potencijalno disruptivnu tehnologiju za određene primene (mogla bi se koristiti zajedno sa konvencionalnom litografijom za jednostavnije slojeve ili memorijske uređaje), ali još uvek nije dokazana za masovnu proizvodnju najgušće logike ^[64]. Za sada, Nikon i Canon ostaju značajni u DUV segmentu (i za starije čvorove), ali ASML ima efektivni monopol nad naprednom litografijom potrebnom za najsavremenije mikroprocesore.
Aspiracije Kine – Smanjivanje zaostatka pod restrikcijama. Kina, koja je domaćin velikih fabrika čipova poput SMIC-a, trenutno nema pristup EUV tehnologiji – ASML nikada nije imao dozvolu da prodaje EUV skenere Kini zbog izvoznih ograničenja predvođenih SAD-om cnfocus.com. Čak su i prodaje najnovijih ASML DUV imerzivnih alata Kini sada podložne dozvoli holandske vlade od 2023. godine ^[65]. Ovo je podstaklo kineske napore za razvoj domaće litografije. Vodeća kineska kompanija za litografsku opremu, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), navodno je napravila mašine sposobne za DUV litografiju klase 90 nm i 28 nm, ali još uvek ništa blizu EUV (EUV uključuje ogroman ekosistem patenata i teške fizičke probleme). Kao rezultat toga, kineske fabrike poput SMIC-a su uspele da proizvedu čip sličan 7 nm koristeći stariju DUV višestruku šemu, ali i dalje zaostaju nekoliko generacija za vodećom ivicom koja zahteva EUV. Globalni tržišni trendovi su stoga duboko isprepleteni sa geopolitikom: litografski alati su postali strateška imovina. U 2024, ASML-ova prodaja Kini (uglavnom DUV alati) iznosila je oko 7 milijardi dolara ^[66], ali je budući rast neizvestan zbog pooštravanja izvoznih kontrola. U međuvremenu, potražnja naglo raste drugde, pa ASML predviđa da će njegov EUV biznis skočiti za oko 30% u 2025. uprkos potencijalnim preprekama u Kini ^[67], ^[68].

Izazovi i nedavni napreci

Iako je ultraljubičasta litografija omogućila izuzetan napredak, suočava se i sa značajnim izazovima koji podstiču stalne inovacije. Evo nekoliko ključnih bolnih tačaka i nedavnih napredaka koji ih rešavaju:

Cena i složenost alata: Cena EUV skenera (~150 miliona dolara ili više po komadu) i njihova izuzetna složenost podižu prag za ulazak proizvođača čipova ^[69]. Samo nekoliko kompanija može da priušti velike flote ovih alata. Da bi opravdali trošak, fabrike moraju imati visoku iskorišćenost i visok prinos. Napredak: Sledeća generacija High-NA EUV alata je još skuplja (preko 300 miliona dolara po komadu) ^[70], ali obećava veći protok i rezoluciju, što potencijalno smanjuje cenu po tranzistoru. Dodatno, napori u oblasti mašinskog učenja i računarske litografije pomažu da se maksimizuje performanse svakog alata (poboljšanjem preciznosti šara i procesnih prozora).
Protok (brzina skenera): Rani EUV alati su obrađivali manje pločica na sat od svojih DUV pandana, delimično zbog ograničene snage izvora i osetljivije optike. Nizak protok znači nižu produktivnost fabrike. Napredak: Snaga EUV izvora se postepeno poboljšavala (današnji izvori prelaze 250 W, u poređenju sa ~125 W kod prvih proizvodnih alata), a najnoviji EUV skeneri kompanije ASML mogu da izlože ~160 pločica na sat u optimalnim uslovima. Nadolazeći High-NA EUV sistemi imaće redizajniranu optiku sa većom numeričkom aperturom 0,55 naspram 0,33, što poboljšava rezoluciju, ali inicijalno smanjuje veličinu polja. Da bi to nadoknadili, ASML inženjeri rade na tome da ovi alati dostignu protok od ~185 pločica na sat. Zapravo, ASML je upravo isporučio svoj prvi High-NA EUV model (EXE:5200) 2025. godine i navodi da će doneti povećanje produktivnosti od 60% u odnosu na trenutne EUV alate – otprilike 175 pločica na sat, što je uporedivo sa DUV skenerima ^[71].
Defekti i prinos: Pošto EUV koristi reflektujuće maske i radi u nanometarskim dimenzijama, kontrola defekata je ogroman izazov. Sitni defekti na maski ili čestice mogu se preneti na pločicu, a EUV fotootpornici i proces mogu pokazati nasumične defekte (stohastička pitanja) ako nisu optimizovani. Napredak: Industrija je razvila zaštitne pelikle za maske za EUV (da bi se čestice držale dalje od maske) nakon mnogo iteracija. Hemija fotootpornika se takođe razvija – novi materijali za otpornike i tehnike podloga poboljšali su osetljivost i hrapavost ivica linija. Proizvođači čipova izveštavaju da su početni problemi sa prinosom kod EUV uglavnom prevaziđeni, a stope defekata su uporedive sa prethodnim čvorovima ^[72]. Ipak, istraživači nastavljaju da usavršavaju tehnologiju otpornika i maski (uključujući istraživanje metal-oksidnih otpornika i drugih novih pristupa za EUV).
Potrošnja energije: Kao što je pomenuto, EUV skeneri troše mnogo energije – svaki može da povuče oko megavat električne energije između laserskog izvora, vakuumskih pumpi i sistema za hlađenje ^[73]. Ovo doprinosi značajnim operativnim troškovima i povećava ekološki otisak fabrika. Napredak: Alternativne metode litografije kao što je Nanoimprint imaju za cilj drastično smanjenje potrošnje energije (Canon tvrdi 90% manju potrošnju) ^[74]. Unutar same EUV tehnologije, inženjeri teže efikasnijim izvorima (npr. većoj konverziji energije lasera u EUV svetlost) kako bi budući alati proizvodili više svetlosti uz manju ulaznu snagu. Čak i mali pomaci u efikasnosti izvora ili reflektivnosti ogledala mogu doneti značajne uštede energije na hiljadama pločica.
Granice optičke rezolucije: Čak će i EUV na 13,5 nm na kraju dostići granice skaliranja. Trenutni EUV alati (0,33 NA) mogu komforno da prave šare sa razmakom od oko 30 nm; izvan toga, biće potrebna višestruka izlaganja ili High-NA EUV za ~2 nm čvor i manje. Napredak: High-NA EUV je u suštini sledeći veliki korak – povećanjem NA sočiva na 0,55 sa novim optičkim dizajnom (što, važno, zahteva novu 6-inch mask size i potpuno novu platformu alata), ovi sistemi će moći da razaznaju karakteristike ~30–40% manje ^[75]. ASML kaže da bi High-NA EUV mogao gotovo da utrostruči gustinu tranzistora na čipovima omogućavajući finije karakteristike i gušće razmake ^[76]. Prvi High-NA EUV alati planirani su za probnu upotrebu u Intelu oko 2025–2026, sa ciljem masovne upotrebe do ~2028 ^[77]. Ovo proširenje bi trebalo da industriju provede kroz 2 nm, 1,5 nm i 1 nm čvorove (uprkos nazivima, ovo će uključivati razmake karakteristika u niskim desetinama nanometara). Nakon toga, možda će biti potrebni drugi pristupi (kao što su “Beyond EUV” koncepti na još kraćim talasnim dužinama, ili revolucionarne metode izrade šara).
Alternativne tehnike litografije: Koncentracija ključnih sposobnosti litografije u jednoj kompaniji (ASML) i jednoj tehnologiji (EUV) podstakla je interesovanje za alternativne ili pomoćne tehnike. Napredak: Pored Canon-ovog NIL-a, radi se i na usmerenom samoorganizovanju (DSA) – korišćenju specijalnih materijala koji se spontano formiraju u veoma fine šare, što može da dopuni litografiju za određene strukture. Drugi pristup je multiphotonska ili kvantna litografija, koja je još uvek uglavnom akademska. E-zraka litografija (direktno ispisivanje elektronskim zracima) koristi se za izradu maski i prototipova, ali je prespora za masovnu proizvodnju. Ipak, kompanije istražuju alate sa više e-zraka za specifične šare. Ove alternative, ako sazru, jednog dana bi mogle da smanje opterećenje optičke litografije ili smanje troškove za neke slojeve. Za sada su to „lepa za imati“ istraživanja, dok optička UV litografija ostaje nezamenljiva osnova.

Stručni uvidi i buduće perspektive

Konsenzus među stručnjacima iz industrije je da će ultraljubičasta litografija i dalje biti ključna za proizvodnju čipova u doglednoj budućnosti, iako uz stalnu evoluciju. „Nastavljamo sa inženjeringom i razvojem… postoji strma kriva učenja za nas i naše kupce,“ rekao je portparol ASML-a povodom uvođenja High-NA EUV, naglašavajući da svaki novi iskorak (poput High-NA) zahteva opsežno fino podešavanje ^[78]. Analitičari takođe upozoravaju da će isplativost voditi usvajanje: „Dok će neki proizvođači čipova možda ranije uvesti [High-NA EUV] radi tehnološkog liderstva, većina ga neće usvojiti dok to ne bude ekonomski opravdano,“ primetio je Jeff Koch iz SemiAnalysis, predviđajući da će većina sačekati do oko 2030. kada njegova prednost opravda trošak^[79]. Kao odgovor, izvršni direktor ASML-a Peter Wennink insistira da će se vrednost High-NA pokazati ranije: „Sve što vidimo kod kupaca je da je High-NA jeftiniji [za njih]“ za postizanje sledećeg nivoa skaliranja ^[80]. Ovaj optimističan pogled sugeriše da, kako kompleksnost raste, naprednija litografija zapravo može smanjiti ukupne troškove uklanjanjem dodatnih procesnih koraka.

Ne može se preuveličati centralna uloga ASML-a – činjenica koja nije promakla vladama. U svetu gde najsavremeniji čipovi donose ekonomske i vojne prednosti, oprema za litografiju postala je strateška imovina. Holandska vlada (uz podršku SAD) strogo je ograničila ASML-ov izvoz naprednih alata u Kinu ^[81], potez usmeren na “osujećivanje ambicija Pekinga u oblasti poluprovodnika”^[82]. Ovo je dovelo do bifurkacije u globalnom lancu snabdevanja čipovima: najnapredniji logički čipovi trenutno se proizvode samo na nekoliko mesta (Tajvan, Južna Koreja i uskoro SAD preko TSMC/Intel fabrika), svi koristeći ASML-ove EUV mašine. Kina mnogo ulaže kako bi sustigla u starijim čvorovima i razvila domaću litografiju, ali stručnjaci procenjuju da bi moglo proći mnogo godina pre nego što se približi paritetu, ako se to ikada i desi, s obzirom na velike prepreke u znanju i intelektualnoj svojini.

U međuvremenu, potražnja za UV litografskim alatima naglo raste u skladu sa bumom u industriji poluprovodnika. Rast veštačke inteligencije i visokoperformansnog računarstva podstiče vodeće fabrike da proširuju kapacitete. ASML-ove knjige narudžbina za EUV alate dostigle su rekordne visine – u jednom nedavnom kvartalu, narudžbine su narasle na 10 milijardi dolara, uglavnom za buduće EUV i High-NA sisteme ^[83]. Kompanija predviđa da će prihodi povezani sa EUV-om skočiti za oko 40–50% u 2025. ^[84], što će pomoći da se ukupna prodaja poveća uprkos slabijoj potražnji iz sektora memorije ili Kine ^[85]. Drugim rečima, tržište najsavremenije litografije je snažno i raste, a ASML očekuje da će svake godine isporučivati još desetine EUV jedinica. Do 2030. godine, High-NA EUV će verovatno biti široko rasprostranjen, a razgovori će se voditi o tome šta dolazi posle ere EUV-a.

Šta bi moglo biti sledeće? Neki istraživači govore o „Beyond EUV“ – možda korišćenje još kraćih talasnih dužina u opsegu mekih X-zraka (~6–8 nm) ili litografija projekcijom elektrona/jona – ali svaki od tih puteva suočava se sa zastrašujućim fizičkim izazovima. Za sada, strategija industrije je da izvuče maksimum iz EUV: prvo uvođenjem High-NA EUV za još 1–2 generacije smanjenja, i kombinovanjem EUV sa pametnom integracijom procesa (kao što su čiplet arhitekture i 3D slaganje, što ublažava potrebu za monolitnim 2D smanjenjima). Litografija će ostati mešavina tehnika: DUV neće nestati (koristiće se zajedno sa EUV), a nove metode poput nanoimprinta možda pronađu svoju nišu kao dopuna glavnim procesima ako se pokažu uspešnim. Ali svaka radikalna promena u odnosu na optičku litografiju verovatno bi zahtevala i promenu paradigme u dizajnu čipova – nešto što još nije na vidiku za proizvodnju velikih razmera.

Rečima predsednika TSMC-a Marka Liua, poluprovodničku industriju je „radila u tunelu“ sa jasnim ciljem decenijama: smanjuj, smanjuj, smanjuj ^[86]. Ultraljubičasta litografija je bila svetlo koje vodi kroz taj tunel. Počelo je sa živinim lampama i primitivnim UV, nastavilo se sa eksajmer duboko-UV laserima koji su nas nosili više od 20 godina ^[87], i sada je dostignuta era ekstremnog UV, produžavajući tunel još dalje. Putovanje je bilo sve samo ne lako – obeleženo trenucima trijumfa i čestim sumnjama – ali rezultat je zapanjujući: milijarde struktura širokih svega nekoliko desetina atoma, savršeno iscrtane preko velikih ploča, omogućavajući računarske podvige koji su pre samo jedne generacije delovali nemoguće.

Gledajući unapred, razvoj mikroprocesora je više nego ikada povezan sa litografijom. Performanse i mogućnosti sledećih CPU, GPU i AI akceleratora biće u velikoj meri određene time koliko fino i pouzdano možemo da ispišemo njihove karakteristike. Ultraljubičasta litografija je glavni alat koji to omogućava. Stručnjaci iz industrije su optimistični da će uz nastavak inovacija – od High-NA optike do pametnijeg softvera i možda nekih nekonvencionalnih ideja kao što su NIL ili DSA – litografija nastaviti da donosi rezultate. Generalni direktor ASML-a čak sugeriše da je plan za EUV i njegove ekstenzije čvrst za narednu deceniju, dajući proizvođačima čipova jasan put za nastavak unapređenja. Globalni tržišni trendovi ukazuju na zdrav rast i intenzivnu konkurenciju, ali i na okupljanje oko nekoliko ključnih tehnologija i dobavljača.

U zaključku, svet ultraljubičaste litografije je spoj vrhunske fizike i inženjeringa sa visokim ulozima u ekonomiji i strategiji. Možda funkcioniše u nevidljivom domenu UV svetlosti, ali je njen uticaj jasno vidljiv u obliku sve moćnijih mikroprocesora iz godine u godinu. Sledeći put kada čujete za novo dostignuće u „nanometarskim“ čipovima, setite se ultraljubičaste revolucije koja radi iza scene. Od dubokog UV do ekstremnog UV i dalje, ove tehnologije zaista oblikuju budućnost mikročipova – urezivanjem novih linija u priču o ljudskom tehnološkom napretku, jednim bleskom fotona u isto vreme.

Izvori

C. Thompson, „Unutar mašine koja je spasila Murov zakon,“ MIT Technology Review, 27. oktobar 2021. ^[88]^[89]
Wikipedia, „Fotolitografija – Najsavremeniji alati danas koriste 193 nm duboko UV ekscimer lasere“ ^[90]
M. Chaban, „Osvetljavanje puta: Kako je ASML oživeo Murov zakon,“ Google Cloud Blog, 28. mart 2023. ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), „Istraživanje budućnosti EUV litografije i dalje,“ 4. novembar 2024. ^[93]
T. Sterling, „Intel naručuje ASML sistem za više od 340 miliona dolara u potrazi za prednošću u proizvodnji čipova,“ Reuters, 19. januar 2022. ^[94]
T. Sterling, „Sledeći izazov za ASML: lansiranje nove ‘High NA EUV’ mašine od 350 miliona dolara,“ Reuters, 9. februar 2024. ^[95]
TrendForce News, „ASML potvrđuje prvu isporuku High-NA EUV EXE:5200…“, 17. jul 2025. ^[96]
T. Sterling, „Holandska vlada isključuje većinu ASML prodaja Kini iz izvoznih podataka,“ Reuters, 17. januar 2025. ^[97]
A. Shilov, „Nova tehnika izrade čipova ‘štampanjem’ koristi 90% manje energije od EUV-a,“ Tom’s Hardware, 31. januar 2024. ^[98]
Samsung Newsroom, „Samsung Electronics započinje masovnu proizvodnju na novoj EUV liniji,“ februar 2020. ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), „7nm FinFET Plus (N7+) tehnologija – Prva koja koristi EUV (2019)“ ^[100]
S&P Global Market Intelligence, „ASML spreman za oporavak podstaknut veštačkom inteligencijom dok potražnja za EUV i High-NA raste,“ septembar 2023. ^[101]

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

Gledajte ovaj video na YouTube-u.

References