Ультрафіолетова революція: всередині невидимих $150-мільйонних машин, що формують майбутнє мікрочіпів

Ультрафіолетові літографічні машини коштують понад 150 мільйонів доларів кожна і мають розмір автобуса.
Оглядачі галузі називають найновіше покоління цих пристроїв “машинами, які врятували закон Мура”, оскільки вони дають змогу створювати сучасні передові процесори.
ASML є єдиним постачальником EUV-літографічних систем, причому інструменти EUV коштують близько 150–180 мільйонів доларів кожен.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) вперше впровадила EUV у масовому виробництві на своєму техпроцесі 7nm+ (N7+) у 2019 році.
Екстремальна ультрафіолетова літографія використовує світло 13,5 нм, яке створюється шляхом опромінення крапель олова потужним лазером для утворення плазми, що випромінює EUV-випромінювання, при цьому споживання енергії інструменту перевищує 1 мегават.
ASML відвантажила перший інструмент High-NA EUV, EXE:5200, у 2025 році, який підвищує числову апертуру до 0,55 і розрахований на близько 175 пластин на годину.
Перші комерційні EUV-чіпи з’явилися у 2019 році: процес TSMC 7nm+ (N7+) і Samsung 7LPP використовують EUV.
Експортний контроль забороняє ASML продавати EUV у Китай, тоді як продажі ASML у Китаї у 2024 році склали близько 7 мільярдів доларів, переважно за рахунок DUV-інструментів.
Nikon і Canon відмовилися від розробки EUV; Nikon продовжує постачати 193-нм іммерсійні сканери, а Canon зосередилася на наноімпринтній літографії NIL з пробними поставками у 2024 році.
DRAM Samsung класу 14 нм використовує EUV на кількох шарах, а Micron планує застосування EUV для свого наступного вузла DRAM.

Кожен сучасний мікропроцесор – від чипа у вашому смартфоні до CPU, що забезпечують роботу хмарного ШІ, – народжується під ультрафіолетовим світлом. Насправді деякі з найсучасніших виробничих машин на Землі спрямовують невидимі ультрафіолетові лазери на кремнієві пластини, щоб витравити наномасштабні схеми, які забезпечують роботу мікрочипів. Ці машини коштують понад $150 мільйонів кожна, мають розмір автобуса і працюють із майже фантастичною складністю – але саме вони є невизнаними трудівниками, що стоять за законом Мура і безперервним рухом до швидших, менших, ефективніших процесорів ^[1], ^[2]. Оглядачі галузі навіть дали найновішому поколінню цих пристроїв прізвисько «машини, які врятували закон Мура», адже без них виготовлення передових чипів було б практично неможливим ^[3]. У цьому звіті розглядається світ ультрафіолетової літографії – як у традиційній глибокій ультрафіолетовій (DUV), так і у передовій екстремальній ультрафіолетовій (EUV) формах – пояснюється, як вона працює, чому вона така важлива для розвитку мікропроцесорів і куди рухається далі.

Ультрафіолетова літографія може звучати як езотерична інженерія, але її вплив дуже реальний і помітний у нашому повсякденному житті. Друкуючи все тонші візерунки транзисторів на кремнії, УФ-літографія безпосередньо забезпечує вражаючі темпи розвитку технологічної індустрії. Як відверто висловився один технічний аналітик, «Закон Мура фактично розпадається, і без цієї машини йому кінець. Ви не зможете створити жодного передового процесора без EUV.»^[4] Іншими словами, майбутнє мікрочіпів — і всіх гаджетів та інновацій, які вони рухають — тепер залежить від використання світла на надзвичайно малих довжинах хвиль. Нижче ми розглянемо, як працює цей світловий друк, як він еволюціонував у новітню технологію EUV, хто є основними гравцями (від нідерландського виробника інструментів ASML до гігантів чипів, таких як TSMC, Samsung і Intel), останні прориви (наприклад, машини EUV наступного покоління та альтернативні методи), а також що кажуть експерти галузі про майбутнє.

Що таке ультрафіолетова літографія?

У своїй основі літографія у виробництві чипів подібна до фотографії на кремнії. Кремнієву підкладку покривають світлочутливим матеріалом (фоторезистом), і машина використовує сфокусоване світло, щоб проєктувати складні схеми на цю підкладку через маску, схожу на трафарет. Візерунки відповідають крихітним транзисторам і проводці, які складають мікропроцесор. Там, де світло потрапляє, воно хімічно змінює резист, щоб ці ділянки можна було протравити або обробити, тоді як покриті області залишаються захищеними. Повторюючи цей процес шар за шаром з надзвичайною точністю, виробники чипів створюють складну архітектуру сучасної інтегральної схеми.

Ключем до роздільної здатності у цьому процесі «друку» є довжина хвилі світла. Так само, як тонший пензель дозволяє художнику малювати дрібніші деталі, коротша довжина хвилі світла дозволяє виробникам чипів гравіювати тонші елементи. Протягом десятиліть напівпровідникова індустрія неухильно рухалася до коротших довжин хвиль у електромагнітному спектрі, щоб друкувати все менші транзистори ^[5]. Перші чипи 1960-х років використовували видиме та довгохвильове УФ-випромінювання (g-лінія на 436 нм, i-лінія на 365 нм), але до 1990-х років передові технології перейшли в діапазон глибокого ультрафіолету із потужними ексимерними лазерами на 248 нм (KrF) і пізніше 193 нм (ArF)^[6]. Світло на 193 нм — приблизно 1/5 довжини хвилі видимого світла — стало основним інструментом для виробництва чипів у 2000-х і 2010-х роках. Ця глибока УФ (DUV) літографія дозволила мінімальні елементи розміром близько ~50 нм і менше, особливо після впровадження таких прийомів, як іммерсійні лінзи та багаторазові експозиції ^[7]. Насправді «ексимерна лазерна літографія» на 248 нм і 193 нм була настільки успішною, що забезпечила дію закону Мура протягом приблизно двох десятиліть, дозволяючи розмірам транзисторів зменшуватися, а щільності чипів — подвоюватися згідно з графіком ^[8].

Однак наприкінці 1990-х і на початку 2000-х років інженери вже знали, що наближаються до стелі довжини хвилі із 193-нм світлом ^[9]. Щоб створювати елементи значно менші за ~40–50 нм, 193-нм літографія змушена була вдаватися до дедалі складніших методів: екзотичних оптичних трюків, багатократного патернування (експонування того самого шару кілька разів зі зміщеними масками для досягнення меншого ефективного кроку) та інших хитрих обхідних рішень ^[10], ^[11]. Ці техніки продовжили життя DUV-інструментів (фактично, виробники чипів розтягнули 193-нм технологію аж до вузлів, які продавалися як 10 нм або навіть 7 нм, використовуючи подвійне, потрійне чи четверне патернування), але ціною величезної складності, зниження виходу придатних чипів і стрімкого зростання вартості виробництва. До середини 2010-х стало очевидно, що традиційна DUV-технологія ледь справляється з подальшим розвитком – галузі був потрібен стрибок до коротшої довжини хвилі світла, щоб зберегти дію закону Мура ^[12].

Глибокоультрафіолетова (DUV) літографія: Робоча конячка

Глибокоультрафіолетова літографія (із використанням лазерів ~248 нм і 193 нм) була основною технологією для виготовлення чипів протягом багатьох поколінь. DUV-інструменти по суті є надзвичайно точними проекційними системами зображення: вони спрямовують УФ-лазер через фотошаблон і серію зменшувальних лінз, щоб спроєктувати зменшене зображення на кремнієву пластину. У сучасних 193-нм системах навіть простір між лінзою та пластиною заповнюють надчистою водою (іммерсійна літографія), щоб ефективно збільшити числову апертуру лінзи й розрізняти менші елементи ^[13]. Завдяки цим методам 193-нм іммерсійна літографія змогла друкувати елементи значно менші за свою номінальну довжину хвилі – але лише із застосуванням технологій підвищення роздільної здатності та багаторазового експонування. Наприклад, до появи EUV, передові чипи 7-нм вузла виготовлялися за допомогою DUV із використанням чотирьох окремих етапів маскування для одного шару (четверне патернування) – надзвичайно складна вправа з точної вирівнювання.

DUV-літографія є високорозвиненою та надійною. DUV-обладнання від таких компаній, як ASML, Nikon і Canon, досі обробляє більшість шарів у виробництві чипів сьогодні (навіть у передових фабриках лише найкритичніші шари використовують EUV, тоді як менш критичні шари продовжують виготовлятися за допомогою кількох DUV-експозицій). Ці машини також значно дешевші за новітні EUV-інструменти – топовий DUV-сканер з іммерсією може коштувати близько $50–$100 мільйонів, тоді як EUV-інструмент коштує понад $150 мільйонів ^[14]. У результаті DUV-інструменти залишаються незамінними не лише для чипів попередніх поколінь (де розміри елементів більші й легше друкуються), а й як доповнення до EUV у передових процесах. Насправді, продажі DUV досі складають основну частину одиниць літографічного обладнання, що постачаються щороку ^[15]. Виробники чипів мають величезну встановлену базу DUV-сканерів і великий досвід їх використання.

Однак, незважаючи на постійне вдосконалення, 193 нм DUV досягла фундаментальної межі у тому, наскільки меншими могли бути розміри без надмірних зусиль. Практична роздільна здатність в оптичній літографії приблизно відповідає критерію Релея: мінімальний розмір елемента ≈ k₁ · (λ/NA), де λ — довжина хвилі, а NA — апертура лінзи. При фіксованій λ на рівні 193 нм і максимальному NA близько 1,35 (іммерсія), виробники чипів зменшили k₁ до теоретичних меж за допомогою обчислювальних трюків – але щоб і далі зменшувати розмір елементів, λ мала зменшитися. Близько 2019 року провідні фабрики, такі як TSMC і Samsung, комерційно впровадили нове джерело світла для літографії з довжиною хвилі 13,5 нм – майже у 15 разів коротше, ніж 193 нм DUV ^[16]. Це ознаменувало початок епохи екстремальної ультрафіолетової літографії.

Перехід до екстремальної ультрафіолетової (EUV) літографії

Екстремальна ультрафіолетова літографія (EUV) використовує значно коротше світло з довжиною хвилі – 13,5 нм, на межі між УФ та рентгенівським випромінюванням – для експонування чипів. Завдяки переходу до такого набагато тоншого “пензля” EUV може друкувати набагато менші транзистори та елементи за одну експозицію, уникаючи багатьох складних багатошарових етапів, необхідних для DUV на передових вузлах ^[17]. На практиці літографія EUV дала змогу масовому виробництву чипів на технологічних поколіннях 7 нм, 5 нм і 3 нм з набагато меншою кількістю процесів і кращою врожайністю, ніж повністю DUV-підхід. Наприклад, тайванська TSMC використала EUV на кількох критичних шарах, починаючи зі свого процесу 7 нм+ (N7+) у 2019 році – перший комерційний процес із використанням EUV ^[18] – а потім широко для своїх 5 нм вузлів, які забезпечують роботу процесорів, таких як Apple A15 та A16 Bionic для смартфонів ^[19]. Samsung аналогічно почала масове виробництво з EUV на початку 2019 року на своєму процесі 7LPP і відтоді впровадила EUV для 5 нм і навіть у виробництві пам’яті^[20], ^[21]. Ці кроки стали переломними: використовуючи світло 13,5 нм, виробники чипів могли друкувати елементи з одиночною експозицією, які раніше потребували кількох проходів DUV, спрощуючи виробництво та забезпечуючи щільніше розміщення транзисторів, ніж будь-коли раніше^[22].

Однак, EUV-літографія була не простою революцією. Знадобилося понад два десятиліття досліджень і ~$9–10 мільярдів на НДДКР, щоб зробити EUV життєздатною для масового виробництва ^[23]^[24]. Виклики були величезними, оскільки світло 13,5 нм поводиться зовсім інакше, ніж світло 193 нм. По-перше, жоден матеріал не є прозорим на 13,5 нм – не можна використовувати заломлюючі лінзи чи звичайні скляні маски. Замість цього в EUV-системах використовується повністю дзеркальна оптична система: серія точно виготовлених багатошарових дзеркал зі спеціальними покриттями, які відбивають світло 13,5 нм (кожне дзеркало відбиває лише частину світла, тому при використанні кількох дзеркал інтенсивність різко падає) ^[25]. Фотомаска також є відбивною дзеркальною підкладкою, а не прозорою скляною пластиною. Усе це має працювати у вакуумі (повітря поглинає EUV). Коротко кажучи, EUV-сканери — це повний редизайн оптичної системи порівняно з DUV-інструментами, що включає екзотичну оптику та надзвичайну точність. Тепер про джерело світла: як взагалі можна згенерувати високоінтенсивне ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 13,5 нм? Відповідь звучить як наукова фантастика: EUV-інструменти створюють світло, спрямовуючи імпульсний високопотужний лазер на крихітні краплі розплавленого олова, 50 000 разів на секунду ^[26], ^[27]. Кожен лазерний імпульс випаровує краплю олова, перетворюючи її на надзвичайно гарячу плазму, яка випромінює EUV-випромінювання – по суті, це мініатюрний зореподібний вибух всередині машини. Ці спалахи плазми створюють бажане світло з довжиною хвилі 13,5 нм разом із великою кількістю іншого небажаного випромінювання та уламків, тому система повинна фільтрувати й збирати потрібну довжину хвилі та захищати все інше. Далі EUV-світло фокусується дзеркальною оптикою і спрямовується на пластину у вигляді візерунків. Це надзвичайно неефективний процес з точки зору генерації світла (більша частина енергії втрачається у вигляді тепла), тому лазер, що живить джерело, має бути неймовірно потужним. Джерело світла EUV-сканера може споживати близько >1 мегавата енергії, щоб забезпечити достатній потік EUV-фотонів для масового виробництва ^[28]. Для порівняння, ексимерний лазер на 193 нм використовує лише невелику частку цієї потужності. Це пояснює, чому EUV-інструменти мають величезні вимоги до енергоспоживання та охолодження, і чому альтернативні технології, такі як наноімпринтна літографія (яка взагалі не використовує лазери), обіцяють економію енергії ~90% ^[29].

На цьому складність не закінчується. Оскільки EUV-фотони мають таку високу енергію, вони можуть викликати тонкі стохастичні ефекти у фоторезисті (випадкові варіації, які можуть спричинити дефекти, якщо їх не усунути), а EUV-маски не можна легко захистити звичайними пелікулами (розробка спеціальних EUV-пелікул була ще одним багаторічним завданням). Кожна частина системи – від вакуумних платформ до шестиступеневих позиціонерів пластин, що рухаються зі швидкістю метрів на секунду, до інспекції дефектів багатошарових дзеркал – розширювала межі інженерії. «Це дуже складна технологія – за рівнем складності вона, мабуть, у категорії Манхеттенського проекту», – зазначив директор з літографії Intel, ілюструючи, наскільки складною була розробка EUV ^[30].

Протягом багатьох років чимало експертів сумнівалися, що EUV коли-небудь запрацює вчасно. Основні гравці Nikon і Canon відмовилися від досліджень EUV після численних труднощів, залишивши ASML (Нідерланди) єдиною компанією, яка просувала цю технологію вперед^[31]^[32]. Ставка ASML зрештою виправдалася — але не без допомоги. У 2012 році, усвідомлюючи стратегічну важливість EUV, великі виробники чипів Intel, TSMC і Samsung спільно інвестували близько 4 мільярдів доларів у ASML, щоб прискорити розробку EUV ^[33]. До 2017 року ASML нарешті представила готовий до виробництва EUV-сканер (модель NXE:3400B), а вже у 2019 році почали виходити перші комерційні чипи, виготовлені з використанням EUV ^[34]^[35]. Спостерігачі галузі назвали це переломним моментом — довгоочікувана революція EUV настала саме вчасно, щоб продовжити дорожню карту напівпровідників. Як зазначає MIT Technology Review, EUV-інструмент ASML — це «бажаний пристрій… використовується для створення мікрочипів з елементами розміром до 13 нанометрів… містить 100 000 дрібних механізмів… для доставки одного такого пристрою клієнту потрібно чотири літаки 747» ^[36]. Коротко кажучи, EUV-сканери — це диво сучасної інженерії, які використовують ультрафіолетове світло на масштабі та зі складністю, яких раніше не бачили.

Чому УФ-літографія важлива для мікропроцесорів

Вигода від усієї цієї складності є простою: менші транзистори та вища продуктивність чипів. Завдяки друку тонших елементів виробники чипів можуть розміщувати більше транзисторів на тій самій площі (що зазвичай означає більшу обчислювальну потужність або нижчу вартість одного чипа) і зменшувати електричну ємність та відстані, які мають долати сигнали (що означає вищу швидкість перемикання та менше енергоспоживання). Це і є суть закону Мура – зменшення розмірів транзисторів, щоб вмістити більше в кожному поколінні чипів, – а літографія є основним рушієм цього прогресу ^[37], ^[38]. Коли ви чуєте про новий смартфонний чип, виготовлений за “3 нм техпроцесом”, або серверний процесор на “5 нм EUV-технології”, ці цифри здебільшого відображають можливості сучасної літографії визначати надзвичайно дрібні елементи (хоча назви вузлів частково маркетингові, вони корелюють із підвищенням щільності, яке стало можливим завдяки EUV).

Важливість ультрафіолетової літографії, мабуть, найкраще ілюструє уявлення про те, що сталося б без цих досягнень. Якби галузь залишилася лише на 193 нм DUV, виробники чипів, можливо, все ще знаходили б способи створювати дуже потужні чипи – але для цього знадобилося б так багато повторюваних технологічних етапів (і складності, що знижує вихід), що витрати злетіли б до небес, а прогрес значно сповільнився б. Дійсно, приблизно в середині 2010-х деякі передбачали неминучий кінець закону Мура, оскільки оптична літографія сягнула межі. EUV з’явилася якраз вчасно, щоб дати новий шанс. Повернувши простіше одноразове експонування на передовій, EUV продовжила дорожню карту масштабування щонайменше ще на кілька поколінь. Своїм існуванням цілий ряд найсучасніших чипів завдячує саме EUV. Наприклад, новітні процесори Apple серії A для смартфонів і чипи серії M для Mac виготовляються компанією TSMC за 5 нм EUV-процесами, що дозволяє досягати кількості транзисторів у десятки мільярдів і суттєвого стрибка у швидкості та ефективності порівняно з попередніми поколіннями ^[39]. Процесори та графічні процесори AMD Ryzen, багато з яких виготовляються на 7 нм або 5 нм EUV-вузлах TSMC, також отримують переваги у щільності та енергозбереженні. Навіть найсучасніші AI-акселератори та процесори для дата-центрів – ті, що забезпечують роботу масштабних AI-моделей, – покладаються на EUV-процеси 5 нм/4 нм, щоб щільно розміщувати матричні обчислювальні блоки та ефективно керувати тепловиділенням.

Це стосується не лише логічних чипів. Мікросхеми пам’яті також отримують вигоду від досягнень у сфері УФ-літографії. Виробники високопродуктивної DRAM почали використовувати EUV для певних критичних шарів у своїх останніх поколіннях (наприклад, DRAM класу 14 нм від Samsung використовує EUV на кількох шарах), щоб збільшити щільність бітів і покращити вихід ^[40]. Micron також впроваджує EUV у своєму наступному вузлі DRAM. Більше шарів EUV у пам’яті означає більше гігабітів зберігання на чип і нижчу вартість за біт, що зрештою означає більше пам’яті у ваших пристроях за ту ж ціну. Насправді, генеральний директор ASML Пітер Веннінк зазначив, що зростаючий попит на ШІ та дані змушує виробників пам’яті швидко впроваджувати EUV – «Виробники DRAM використовують більше шарів EUV на поточних і майбутніх вузлах», підкреслив він, що підвищує попит на ці інструменти по всій галузі ^[41].

Коротко кажучи, УФ-літографія безпосередньо впливає на можливості мікропроцесорів. Можливість виготовляти менші транзистори дозволяє не лише розмістити більше ядер або кешу на чипі, а й зменшити енергоспоживання кожного перемикання транзистора. Ось чому кожне нове покоління технологічного процесу часто приносить 15–30% приросту продуктивності і 20–50% зниження енергоспоживання при тій самій архітектурі, або ж дозволяє подвоїти чи більше щільність транзисторів. Наприклад, перехід TSMC з 7 нм (переважно DUV) на 5 нм (EUV) забезпечив приблизно 1,8× збільшення щільності логіки та ~15% приросту швидкості при тій самій потужності ^[42]. Ці покращення означають швидші смартфони, ефективніші дата-центри та прориви у високопродуктивних обчисленнях. Ультрафіолетова літографія — це невидима рука, яка вирізає ці покращення у кремнії. Як підсумував один із директорів галузевих досліджень: «Без EUV ви насправді не можете створити жодного передового процесора»^[43] – настільки це критично для збереження темпів прогресу.

Сучасний стан і основні гравці

Станом на 2025 рік, ультрафіолетова літографія лежить в основі кожного передового чипового виробництва, і тут домінують кілька ключових гравців і технологій. Ось огляд поточного ландшафту та основних рушіїв:

ASML (Нідерланди) – Ключовий гравець у літографії. ASML є єдиним постачальником систем EUV-літографії у світі ^[44]. Наприкінці 2010-х вона стала першою (і єдиною) компанією, яка комерціалізувала EUV-сканери, після того як конкуренти вийшли з ринку ^[45]. Її EUV-інструменти (кожен коштує близько $150–$180 мільйонів ^[46], ^[47]) використовуються всіма провідними виробниками чипів. ASML також виробляє DUV-сканери (де вона конкурує з Nikon/Canon за частку ринку). Завдяки EUV ASML перетворилася на одну з найцінніших у світі компаній з виробництва обладнання для напівпровідників – фактично маючи монополію на найсучасніші літографічні технології. Одна передова фабрика може потребувати парк із 10–20 EUV-машин ASML, що становить багатомільярдні інвестиції. Станом на 2021 рік у світі вже працювало понад 100 EUV-інструментів ^[48], і ця кількість продовжує зростати, оскільки TSMC, Samsung та Intel розширюють використання EUV. (Варто зазначити, що експортний контроль наразі забороняє ASML продавати EUV-машини до Китаю через їх стратегічну важливість ^[49].)
TSMC (Тайвань) – Піонер контрактного виробництва з EUV. TSMC є найбільшим у світі контрактним виробником мікросхем і першою впровадила EUV у масове виробництво (її вузол 7nm+ “N7+” у 2019 році став першим у галузі процесом з використанням EUV) ^[50]. Відтоді TSMC широко використовує EUV для свого покоління 5 нм (2019–2020) та вузлів 4 нм/3 нм, виробляючи чипи для Apple, AMD, Nvidia та багатьох інших з найкращими у світі показниками виходу придатної продукції. Використовуючи EUV на низці критичних шарів, TSMC досягла збільшення щільності, що визначає ці вузли. Лідерство TSMC у ранньому освоєнні EUV — одна з головних причин, чому компанія випередила Intel у технологіях виробництва за останні роки. У майбутньому TSMC планує продовжувати використовувати поточний EUV (0,33 NA) для своїх вузлів 3 нм і навіть 2 нм, а також розглядає наступне покоління EUV для подальших розробок ^[51]. (Цікаво, що TSMC зазначила, що може не поспішати з впровадженням перших High-NA EUV інструментів для своїх процесів епохи 2 нм приблизно у 2027–2028 роках, віддаючи перевагу очікуванню, поки економічна доцільність стане очевидною ^[52].)
Samsung (Південна Корея) – Впроваджувач у пам’яті та логіці. Samsung швидко впровадила EUV для логічних чипів, оголосивши про виробництво 7 нм EUV вже у 2019 році (її мобільні процесори Exynos і деякі чипи Qualcomm Snapdragon використовували ці технології). Samsung також стала піонером у використанні EUV у пам’яті, ставши першою, хто використав EUV у виробництві DRAM (для свого вузла DRAM 1z-нм) і у багатошаровості V-NAND ^[53]. EUV-лінія Samsung у Хвасоні стала зразковою, і компанія продовжує інвестувати в EUV як для контрактного виробництва, так і для виробництва пам’яті. Як і TSMC, Samsung є клієнтом майбутніх High-NA EUV від ASML, хоча, за повідомленнями, Samsung ще не визначилася, коли впровадить ці інструменти у виробництво ^[54]. Тим часом, поточні флагманські процеси Samsung (5 нм, 4 нм, 3 нм транзистори Gate-All-Around) всі використовують EUV для зменшення кількості маскувальних етапів. Samsung також досі виробляє багато чипів із використанням DUV та старіших інструментів, але для передових технологій компанія повністю покладається на EUV.
Intel (США) – Гонитись, щоб повернути лідерство. Intel, яка довгий час була лідером у літографії, зіткнулася із затримками на своєму вузлі 10 нм (який використовував передове багатошарове DUV-патернування) і тому відставала у впровадженні EUV. Але з того часу компанія значно інвестувала, щоб надолужити згаяне. Новітні покоління технологічних процесів Intel (брендовані як “Intel 4”, “Intel 3”, приблизно еквівалентні ~7 нм та ~5 нм класу) використовують EUV-літографію для кількох шарів – наприклад, Intel 4 застосовує EUV у виробництві майбутніх процесорів Meteor Lake компанії ^[55]. Intel також була одним із перших інвесторів у ASML і забезпечила собі пріоритетний доступ до High-NA EUV-машин ASML: у 2023 році вона отримала перший у світі High-NA EUV-інструмент (серія EXE:5000) для R&D і має отримати перший виробничий High-NA інструмент (EXE:5200) до 2024–2025 років ^[56], ^[57]. Intel планує використовувати ці High-NA EUV-сканери для своїх вузлів 1,8 нм та покоління 14Å (~2027 рік) у рамках своєї амбітної дорожньої карти з повернення лідерства у виробничих процесах ^[58], ^[59]. З новим керівництвом CEO Intel відкрито заявляє про впровадження EUV і навіть про послуги як фабрика, використовуючи EUV для виробництва чипів для інших компаній у найближчому майбутньому.
Nikon і Canon (Японія) – Ветерани DUV, які шукають альтернативи. Nikon і Canon колись були домінуючими постачальниками літографічного обладнання (у 1990-х роках, зокрема, Nikon лідирувала у виробництві передових степерів). Вони й досі виробляють DUV-літографічні інструменти – фактично, протягом багатьох років Nikon постачала машини Intel і виробникам пам’яті. Але жодна з компаній не представила рішення для EUV: обидві відмовилися від розробки EUV після досліджень на початку 2000-х, поступившись цим ринком ASML ^[60]. Сьогодні Nikon все ще продає 193-нм іммерсійні сканери для масового виробництва (особливо використовуються на фабриках не передових технологій або як допоміжні інструменти), тоді як Canon зосередилася на спеціалізованих нішах, таких як наноімпринтна літографія (NIL). Нові NIL-машини Canon намагаються механічно “штампувати” шаблони чипів і заявляють про вдесятеро нижчу вартість і на 90% менше енергоспоживання порівняно з EUV-інструментами^[61]^[62]. Canon почала постачати свої перші NIL-інструменти для випробувань у 2024 році ^[63]. Дехто вважає NIL потенційно проривною технологією для певних застосувань (її можна використовувати разом із традиційною літографією для простіших шарів або пристроїв пам’яті), але вона ще не довела свою ефективність для масового виробництва найвищої щільності логічних чипів ^[64]. Поки що Nikon і Canon залишаються значущими гравцями у сфері DUV (і для старіших техпроцесів), але ASML має фактичну монополію на передову літографію, необхідну для виробництва найсучасніших мікропроцесорів.
Прагнення Китаю – Скорочення відставання в умовах обмежень. Китай, який має великі чипові фабрики, такі як SMIC, наразі не має доступу до EUV-технології – ASML ніколи не дозволяли продавати EUV-сканери до Китаю через експортні обмеження, ініційовані США cnfocus.com. Навіть продажі новітніх DUV-іммерсійних систем ASML до Китаю тепер підлягають ліцензуванню урядом Нідерландів з 2023 року ^[65]. Це стимулювало китайські зусилля з розробки власної літографії. Провідна китайська компанія з виробництва літографічного обладнання, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), за повідомленнями, створила машини, здатні до DUV-літографії класу 90 нм і 28 нм, але поки що нічого подібного до EUV (EUV включає величезну екосистему патентів і складних фізичних проблем). У результаті китайські фабрики, такі як SMIC, змогли виготовити чип, подібний до 7 нм, використовуючи старішу DUV-багатошарову експозицію, але вони залишаються на кілька поколінь позаду передового рівня, який вимагає EUV. Глобальні ринкові тенденції таким чином тісно переплетені з геополітикою: літографічне обладнання стало стратегічним активом. У 2024 році продажі ASML до Китаю (переважно DUV-обладнання) склали близько 7 мільярдів доларів ^[66], але подальше зростання залишається невизначеним через посилення експортного контролю. Тим часом попит стрімко зростає в інших регіонах, тому ASML прогнозує зростання свого бізнесу EUV приблизно на 30% у 2025 році, незважаючи на потенційні труднощі з Китаєм ^[67], ^[68].

Виклики та нещодавні досягнення

Хоча ультрафіолетова літографія забезпечила значний прогрес, вона також стикається з серйозними викликами, які стимулюють постійні інновації. Ось деякі ключові проблеми та нещодавні досягнення, що їх вирішують:

Вартість і складність інструменту: Вартість EUV-сканерів (~150 мільйонів доларів або більше за кожен) і їхня надзвичайна складність підвищують бар’єр для входу для виробників чипів ^[69]. Лише кілька компаній можуть дозволити собі великі парки таких інструментів. Щоб виправдати витрати, фабрики мають забезпечувати високе завантаження і високий вихід придатної продукції. Прогрес: Наступне покоління High-NA EUV інструментів ще дорожче (понад 300 мільйонів доларів за кожен) ^[70], але обіцяє більшу продуктивність і роздільну здатність, потенційно знижуючи вартість одного транзистора. Додатково, зусилля у сфері машинного навчання та комп’ютерної літографії допомагають максимізувати ефективність кожного інструменту (покращуючи точність відтворення шаблону та робочі вікна процесу).
Пропускна здатність (швидкість сканера): Перші EUV-інструменти обробляли менше пластин на годину, ніж їхні DUV-аналоги, частково через обмежену потужність джерела та більш делікатну оптику. Низька пропускна здатність означає меншу продуктивність фабрики. Прогрес: Потужність джерела EUV поступово зростала (сьогоднішні джерела перевищують 250 Вт, проти ~125 Вт у перших виробничих інструментах), і найновіші EUV-сканери ASML можуть експонувати ~160 пластин/год за оптимальних умов. Майбутні High-NA EUV системи матимуть перероблену оптику з вищою числовою апертурою 0,55 проти 0,33, що покращує роздільну здатність, але спочатку зменшує розмір поля. Щоб компенсувати це, ASML проектує ці інструменти так, щоб зрештою досягти ~185 пластин/год пропускної здатності. Насправді, ASML щойно відправила свою першу модель High-NA EUV (EXE:5200) у 2025 році і заявляє, що вона забезпечить зростання продуктивності на 60% порівняно з поточними EUV-інструментами – приблизно 175 пластин/год, що співставно з DUV-сканерами ^[71].
Дефекти і вихід придатної продукції: Оскільки EUV використовує відбивальні маски і працює на нано-рівні, контроль дефектів є надзвичайно важливим. Дрібні дефекти маски або частинки можуть віддрукуватися на пластині, а EUV-фоторезисти та процес можуть проявляти випадкові дефекти (стохастичні проблеми), якщо не оптимізовані. Прогрес: Індустрія розробила захисні пелікули для масок для EUV (щоб захистити маску від частинок) після багатьох ітерацій. Хімія фоторезисту також розвивається – нові матеріали резисту та підшарів покращили чутливість і шорсткість краю лінії. Виробники чипів повідомляють, що початкові проблеми з виходом придатної продукції при EUV в основному подолані, а рівень дефектів співставний із попередніми вузлами ^[72]. Проте дослідники продовжують вдосконалювати технології резисту і масок (зокрема, досліджуючи метал-оксидні резисти та інші нові підходи для EUV).
Споживання енергії: Як вже згадувалося, EUV-сканери дуже енергоємні – кожен з них може споживати близько мегавата електроенергії між лазерним джерелом, вакуумними насосами та системами охолодження ^[73]. Це сприяє значним експлуатаційним витратам і збільшує екологічний слід фабрик. Прогрес: Альтернативні методи літографії, такі як Nanoimprint, мають на меті суттєво скоротити споживання енергії (Canon стверджує, що використання енергії зменшується на 90%) ^[74]. У самій EUV інженери прагнуть до більш ефективних джерел (наприклад, підвищення коефіцієнта перетворення енергії лазера в EUV-світло), щоб майбутні інструменти виробляли більше світла при меншому споживанні енергії. Навіть незначне підвищення ефективності джерела або відбивної здатності дзеркал може дати значну економію енергії при обробці тисяч пластин.
Обмеження оптичної роздільної здатності: Навіть EUV на 13,5 нм зрештою досягне меж масштабування. Поточні EUV-інструменти (0,33 NA) можуть впевнено створювати візерунки з кроком ~30 нм; для менших кроків знадобиться багаторазова експозиція або High-NA EUV для вузлів ~2 нм і менше. Прогрес: High-NA EUV – це, по суті, наступний великий крок: збільшення NA лінзи до 0,55 з новим оптичним дизайном (що, зокрема, вимагає нового 6-inch mask size і абсолютно нової платформи інструменту), ці системи зможуть розрізняти елементи на ~30–40% менші ^[75]. ASML стверджує, що High-NA EUV може майже утричі збільшити щільність транзисторів на чипах завдяки можливості створювати тонші елементи та щільніші кроки ^[76]. Перші інструменти High-NA EUV планується використовувати в пілотному режимі Intel приблизно у 2025–2026 роках, а масове використання очікується близько 2028 року ^[77]. Це дозволить індустрії перейти до вузлів 2 нм, 1,5 нм і 1 нм (незважаючи на назви, це будуть кроки елементів у кілька десятків нанометрів). Далі можуть знадобитися інші підходи (наприклад, концепції “Beyond EUV” на ще коротших довжинах хвиль або революційні методи формування візерунків).
Альтернативні методи літографії: Зосередження критичних можливостей літографії в одній компанії (ASML) та одній технології (EUV) викликало інтерес до альтернативних або допоміжних методів. Прогрес: Окрім NIL від Canon, ведуться роботи над Directed Self-Assembly (DSA) – використання спеціальних матеріалів, які самостійно формують дуже тонкі візерунки, що може доповнювати літографію для певних структур. Інший підхід – це мультифотонна або квантова літографія, яка поки що залишається переважно академічною. Електронно-променева літографія (безпосереднє нанесення малюнка електронним променем) використовується для виготовлення масок і прототипування, але занадто повільна для масового виробництва. Тим не менш, компанії досліджують багатопроменеві електронно-променеві інструменти для нішевого патернування. Якщо ці альтернативи досягнуть зрілості, вони одного дня можуть зменшити навантаження на оптичну літографію або знизити витрати для деяких шарів. Наразі це “приємні для наукових досліджень” технології, тоді як оптична УФ-літографія залишається незамінною основою.

Експертні думки та майбутні перспективи

Загальна думка серед галузевих експертів полягає в тому, що ультрафіолетова літографія й надалі залишатиметься ключовою технологією виробництва чипів у найближчому майбутньому, хоча й з постійною еволюцією. “Ми постійно вдосконалюємо та розробляємо… для нас і наших клієнтів це крута крива навчання,” – сказав представник ASML щодо впровадження High-NA EUV, підкреслюючи, що кожен новий стрибок (як-от High-NA) вимагає ретельного налаштування ^[78]. Аналітики також застерігають, що впровадження визначатиметься економічною доцільністю: “Деякі виробники чипів можуть впровадити [High-NA EUV] раніше для здобуття технологічного лідерства, але більшість не перейде на неї, доки це не стане економічно виправданим,” – зазначив Джефф Кох із SemiAnalysis, прогнозуючи, що більшість чекатиме до ~2030 року, коли переваги виправдають витрати^[79]. У відповідь генеральний директор ASML Пітер Веннінк наполягає, що High-NA швидше доведе свою цінність: “Усе, що ми бачимо з боку клієнтів, свідчить, що High-NA дешевший [для них]” для досягнення наступного рівня масштабування ^[80]. Такий оптимістичний погляд свідчить, що зі зростанням складності більш просунута літографія може насправді знизити загальні витрати, скорочуючи кількість додаткових етапів процесу.

Не можна переоцінити центральну роль ASML – і це добре розуміють уряди. У світі, де передові чипи надають економічні та військові переваги, обладнання для літографії стало стратегічним активом. Уряд Нідерландів (за підтримки США) суворо обмежив експорт передових інструментів ASML до Китаю ^[81], крок, спрямований на “стримування наполеонівських планів Пекіна у сфері напівпровідників”^[82]. Це призвело до роздвоєння глобального ланцюга постачання чипів: найсучасніші логічні чипи наразі виробляються лише у кількох місцях (Тайвань, Південна Корея і незабаром США на фабриках TSMC/Intel), усі з використанням EUV-машин ASML. Китай активно інвестує у розвиток старіших технологічних вузлів і створення власної літографії, але експерти оцінюють, що для досягнення паритету можуть знадобитися роки, якщо це взагалі можливо, враховуючи величезні бар’єри знань і інтелектуальної власності.

Тим часом, попит на інструменти для УФ-літографії стрімко зростає разом із бумом напівпровідників. Зростання AI та високопродуктивних обчислень спонукає провідні фабрики розширювати потужності. Книга замовлень ASML на EUV-інструменти досягла рекордних показників – в одному з останніх кварталів замовлення зросли до $10 млрд, переважно на майбутні системи EUV та High-NA ^[83]. Компанія прогнозує, що дохід від EUV зросте на ~40–50% у 2025 році ^[84], що допоможе збільшити загальні продажі, незважаючи на повільніший попит з боку пам’яті чи Китаю ^[85]. Іншими словами, ринок передової літографії є стійким і зростає, і ASML очікує постачати ще десятки EUV-установок щороку. До 2030 року High-NA EUV, ймовірно, стане масовим, а розмови перейдуть до того, що буде після епохи EUV.

Що може бути далі? Деякі дослідники говорять про «Поза межами EUV» – можливо, використання ще коротших довжин хвиль у діапазоні м’якого рентгену (~6–8 нм) або електронної/іонної проекційної літографії – але кожен із цих шляхів стикається з величезними фізичними викликами. Наразі стратегія галузі – максимально використати EUV: спочатку впроваджуючи High-NA EUV для ще 1–2 поколінь зменшення, а також поєднуючи EUV з розумною інтеграцією процесів (наприклад, архітектури чиплетів і 3D-стекування, які зменшують потребу в монолітних 2D-зменшеннях). Літографія залишиться міксом технік: DUV не зникне (вона буде використовуватися разом із EUV), а нові методи, такі як наноімпринтинг, можуть знайти свою нішу для доповнення основних процесів, якщо вони себе виправдають. Але будь-який радикальний відхід від оптичної літографії, ймовірно, вимагатиме зміни парадигми в проєктуванні чипів – чого поки не видно на горизонті для масового виробництва.

Як сказав голова TSMC Марк Лю, напівпровідникова індустрія «працювала в тунелі» з чіткою метою протягом десятиліть: зменшувати, зменшувати, зменшувати ^[86]. Ультрафіолетова літографія була світлом, що освітлювало цей тунель. Все почалося з ртутних ламп і примітивного УФ, перейшло до ексимірних глибоко-УФ лазерів, які служили нам понад 20 років ^[87], і зараз досягло епохи екстремального УФ, ще більше подовжуючи тунель. Ця подорож була далеко не легкою – позначена моментами тріумфу та частими сумнівами – але результат вражає: мільярди структур шириною лише в десятки атомів, ідеально відтворені на великих пластинах, що дозволяє досягати обчислювальних можливостей, які здавалися неможливими ще покоління тому.

Дивлячись у майбутнє, розвиток мікропроцесорів тісніше пов’язаний із літографією, ніж будь-коли. Продуктивність і можливості наступних CPU, GPU та AI-акселераторів значною мірою визначатимуться тим, наскільки дрібно й надійно ми зможемо відтворювати їхні елементи. Ультрафіолетова літографія – головний інструмент, що робить це можливим. Експерти галузі оптимістично налаштовані, що завдяки подальшим інноваціям – від High-NA оптики до розумнішого програмного забезпечення і, можливо, деяких нестандартних ідей, як NIL чи DSA – літографія й надалі буде забезпечувати прогрес. Генеральний директор ASML навіть стверджує, що дорожня карта для EUV та її розширень є надійною на наступне десятиліття, даючи виробникам чипів чітку перспективу для подальших удосконалень. Глобальні ринкові тенденції свідчать про здорове зростання й жорстку конкуренцію, але також про консолідацію навколо кількох ключових технологій і постачальників.

Підсумовуючи, світ ультрафіолетової літографії – це поєднання передової фізики й інженерії з високими економічними ставками та стратегією. Вона працює у невидимій сфері УФ-світла, але її вплив яскраво проявляється у вигляді потужніших мікропроцесорів рік за роком. Наступного разу, коли почуєте про новий прорив у «нанометрових» чипах, згадайте про ультрафіолетову революцію, що працює за лаштунками. Від глибокого УФ до екстремального УФ і далі – ці технології справді формують майбутнє мікрочипів – вигравірують наступні рядки в історії людського технологічного прогресу, спалах за спалахом фотонів.

Джерела

C. Thompson, “Всередині машини, яка врятувала закон Мура,” MIT Technology Review, 27 жовтня 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, “Фотолітографія – Сучасні інструменти використовують 193 нм глибокі УФ ексимерні лазери” ^[90]
M. Chaban, “Освітлюючи шлях: Як ASML відродила закон Мура,” Google Cloud Blog, 28 березня 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Дослідження майбутнього EUV-літографії та далі,” 4 листопада 2024 ^[93]
T. Sterling, “Intel замовляє систему ASML за понад $340 млн у пошуках переваги у виробництві чипів,” Reuters, 19 січня 2022 ^[94]
T. Sterling, “Наступний виклик ASML: запуск нової машини ‘High NA EUV’ за $350 млн,” Reuters, 9 лютого 2024 ^[95]
TrendForce News, “ASML підтверджує першу поставку High-NA EUV EXE:5200…,” 17 липня 2025 ^[96]
T. Sterling, “Уряд Нідерландів виключає більшість продажів ASML до Китаю з експортної статистики,” Reuters, 17 січня 2025 ^[97]
А. Шилов, “Нова технологія виготовлення чипів методом ‘штампування’ використовує на 90% менше енергії, ніж EUV,” Tom’s Hardware, 31 січня 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, “Samsung Electronics розпочинає масове виробництво на новій EUV-лінії,” лютий 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “7nm FinFET Plus (N7+) Technology – Перша у використанні EUV (2019)” ^[100]
S&P Global Market Intelligence, “ASML готова до відновлення, підживленого ШІ, оскільки попит на EUV та High-NA зростає,” вересень 2023 ^[101]

Behind this Door: Learn about EUV, Intel’s Most Precise, Complex Machine

Watch this video on YouTube.

References