EUV-lithografie: hoe licht van 13,5 nanometer de modernste chips mogelijk maakt
Elke smartphone, laptop en AI-server draait op chips waarop miljarden schakelingen op een oppervlak ter grootte van een postzegel zijn geperst. Om die schakelingen zo klein te maken, gebruiken fabrikanten licht om patronen op silicium te "printen" — een proces dat lithografie heet. EUV-lithografie (extreem ultraviolet) is de nieuwste en meest geavanceerde vorm daarvan: het gebruikt licht met een golflengte van slechts 13,5 nanometer, veel korter dan gewoon ultraviolet licht, waardoor veel fijnere lijntjes getekend kunnen worden.
Een vergelijking helpt: stel dat je met een potlood steeds fijnere lijntjes wilt tekenen. Op een gegeven moment is de punt van het potlood de beperkende factor, niet je hand. Bij chipproductie is "de punt van het potlood" de golflengte van het licht waarmee je tekent. Jarenlang gebruikte de industrie ultraviolet licht van 193 nanometer, met allerlei trucs om toch kleinere structuren te maken. EUV-licht is ruim veertien keer korter, waardoor chipmakers transistors konden blijven verkleinen tot afmetingen van slechts enkele nanometers — duizenden keren dunner dan een haar.
Wat is het precies?
Lithografie werkt in essentie als een diaprojector: licht schijnt door een sjabloon (het "reticle" of masker) met het gewenste circuitpatroon, en een lens projecteert dat patroon verkleind op een lichtgevoelige laag (fotoresist) op een siliciumschijf, de wafer. Waar licht valt, verandert de chemische structuur van de resist, zodat na een etsstap precies dat patroon in het silicium overblijft.
Het probleem met EUV-licht is dat vrijwel elk materiaal het opslokt, inclusief lucht en gewoon glas. Daarom speelt het hele proces zich af in een vacuümkamer, en gebruikt men geen lenzen maar spiegels: extreem gladde spiegels met een "multilayer"-coating van afwisselend molyÂbdeen en silicium (Mo/Si), die met precisie tot op een fractie van een atoom EUV-licht kunnen reflecteren in plaats van doorlaten.
Ook het opwekken van het licht zelf is een technisch huzarenstukje. Een krachtige CO2-laser schiet tienduizenden keren per seconde op minuscule druppeltjes gesmolten tin. Eerst een lichte "voorpuls" om het druppeltje af te platten, dan een zware hoofdpuls die het tin verhit tot een plasma van circa 220.000 graden Celsius. Dat plasma zendt EUV-licht uit, dat via een serie spiegels naar het masker en vervolgens naar de wafer wordt geleid.
Een nieuwere variant, High-NA EUV, gebruikt spiegels en optiek met een grotere numerieke apertuur (NA) — een maat voor hoeveel licht het systeem kan opvangen en bundelen. Een hogere NA (0,55 in plaats van de gangbare 0,33) maakt nóg fijnere patronen mogelijk, ten koste van een kleiner belichtingsveld per stap.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is simpel te formuleren, ook al is de uitvoering extreem complex: meer transistors op dezelfde oppervlakte silicium passen. Dat is al decennia de kern van wat bekendstaat als de wet van Moore, de vuistregel dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt.
Kleinere en dichter opeengepakte transistors betekenen doorgaans snellere chips die minder energie per bewerking verbruiken. Dat is essentieel voor alles van smartphones met een langere batterijduur tot datacenters die de rekenkracht voor kunstmatige intelligentie moeten leveren zonder torenhoge stroomrekeningen.
Zonder EUV liepen chipmakers tegen een fysieke muur aan: met het oudere 193 nanometer-licht waren steeds ingewikkeldere en duurdere trucs nodig (zoals meervoudige belichtingen van dezelfde laag) om kleinere structuren te maken. EUV maakt het mogelijk om in één belichtingsstap patronen te maken die voorheen vele stappen kostten, wat zowel kleinere chips als — op termijn — een efficiënter productieproces oplevert.
Voorbeelden uit de praktijk
De Taiwanese chipfabrikant TSMC was de eerste die EUV-lithografie op grote schaal inzette in massaproductie, met de zogeheten N7+ node vanaf 2019. Sindsdien gebruikt het bedrijf EUV in vrijwel elke nieuwe generatie geavanceerde chips, waaronder de processoren voor smartphones en, recenter, AI-versnellers.
Samsung volgde rond dezelfde periode met EUV in zijn 7 nanometer-klasse productielijnen, en gebruikt de techniek inmiddels breed in zijn geheugenchips en logica-chips.
Intel kwam later, maar zette EUV centraal in zijn "Intel 4"-procestechnologie, die vanaf 2023 in productie ging in de fabriek in Ierland. Intel geldt bovendien als een van de eerste bedrijven die een High-NA EUV-machine operationeel kreeg, in zijn onderzoeksfaciliteit in Oregon, Verenigde Staten, waar de eerste van dit soort systemen in 2024 werd geïnstalleerd.
Het Belgische onderzoeksinstituut imec in Leuven ontving eveneens een van de allereerste High-NA-systemen, niet om chips te verkopen maar om samen met ASML en chipmakers wereldwijd de technologie rijp te maken voor productie.
SK Hynix, de Zuid-Koreaanse geheugenfabrikant, gebruikt EUV inmiddels ook voor de meest geavanceerde DRAM-chips, die onder meer nodig zijn voor het hoogwaardige geheugen in AI-servers.
Hoe ver is de techniek?
Standaard EUV (met NA 0,33) is inmiddels een volwassen, breed ingezette technologie: de grote foundry's produceren er dagelijks miljoenen wafers mee. Toch blijft het proces notoir lastig en duur; een enkele EUV-scanner kost naar schatting 150 tot 200 miljoen euro, weegt tientallen tonnen en bestaat uit honderdduizenden onderdelen.
De volgende stap, High-NA EUV, bevindt zich nog in de vroege opschalingsfase. De eerste machines zijn sinds 2023-2024 uitgeleverd aan onder meer imec en Intel, en fabrikanten zijn nog bezig de productieprocessen, materialen en software eromheen af te stemmen. Verwacht wordt dat High-NA pas halverwege dit decennium op relevante schaal in commerciële chipproductie wordt gebruikt; een exacte datum is onzeker en hangt af van hoe snel resttechnische problemen — zoals nieuwe fotoresists en het kleinere belichtingsveld — worden opgelost. Een High-NA-systeem kost naar verluidt zo'n 350 tot 400 miljoen euro per stuk, aanzienlijk meer dan een reguliere EUV-machine.
Een belangrijk obstakel blijft de zogeheten "stochastische variatie": bij zulke kleine structuren spelen willekeurige effecten op het niveau van individuele fotonen en moleculen een steeds grotere rol, wat de betrouwbaarheid van het proces onder druk zet. Ook energieverbruik en de beschikbaarheid van geschikte fotoresistmaterialen zijn actieve onderzoeksterreinen.
Wie werken eraan?
ASML, gevestigd in Veldhoven, is wereldwijd de enige producent van EUV-lithografiemachines. Dat maakt het bedrijf tot een cruciale schakel in de gehele chipindustrie: geen enkele fabrikant van geavanceerde chips kan om ASML heen.
Voor de optiek en spiegels werkt ASML nauw samen met het Duitse Carl Zeiss SMT, dat de extreem precieze spiegelsystemen levert die het hart vormen van elke EUV-machine.
Onderzoeksinstituut imec in Leuven, België, speelt een sleutelrol bij het testen en verder ontwikkelen van EUV- en High-NA-technologie samen met chipfabrikanten en toeleveranciers uit de hele wereld. Ook Duitse onderzoeksinstellingen als de Fraunhofer-instituten dragen bij aan onderliggende laser- en optiektechnologie.
Aan de gebruikerskant zijn TSMC (Taiwan), Samsung en SK Hynix (Zuid-Korea) en Intel (Verenigde Staten) de belangrijkste afnemers en gebruikers van EUV-systemen voor de productie van logica- en geheugenchips.
De geopolitieke dimensie is niet te negeren: onder druk van de Verenigde Staten heeft de Nederlandse overheid de export van EUV-machines naar China nooit toegestaan, en zijn sinds 2023 ook exportregels voor bepaalde geavanceerde DUV-machines (de voorloper-technologie) aangescherpt. Dit maakt ASML, en daarmee Nederland, een centrale speler in de handelsspanningen rond geavanceerde chiptechnologie.