Навесні 2026 року Маск офіційно представив план виробництва чіпів TeraFab. Його логіка була простою: SpaceX і Tesla потребуватимуть щонайменше 1 терават обчислювальної потужності в майбутньому, що більш ніж у 10 разів перевищує поточну глобальну потужність постачання чіпів.
Пізніше того ж місяця він, здавалося, зробив ще більшу ставку: вхід у бізнес літографічних машин.
01 TeraFab, націлений на літографічні машини
Блогер опублікував, що, судячи з новин, опублікованих TeraFab, Ілон Маск, схоже, йде шляхом FEL (лазер на вільних електронах), підриваючи монополію традиційного EUV.
Сам Маск пізніше опублікував "FEL FTW" (FEL перемагає) у соціальних мережах, що було сприйнято сторонніми як побічне підтвердження цього припущення. У поєднанні з витягнутим дизайном заводу TeraFab та заявою Маска, технічний маршрут FEL став найпопулярнішим припущенням. Згідно з попередніми планами, TeraFab побудує інтегровану базу з виробництва чіпів, виробляючи як логічні, так і пам'ятні чіпи, а також інтегруючи літографію, пакування та тестування в одному заводі.
Збіг обставин: у липні минулого року напівпровідниковий стартап xLight оголосив про завершення раунду фінансування серії B на суму 40 мільйонів доларів із перевищенням підписки. Це фінансування буде зосереджено на дослідженнях і розробках FEL з метою подолання фізичних обмежень існуючої технології EUV-літографії та забезпечення ключової підтримки джерела світла для масового виробництва чіпів на 2 нм і більш просунутих технологічних процесах. Варто зазначити, що в березні минулого року колишній генеральний директор Intel Пет Гелсінгер опублікував у LinkedIn, що він приєднався до xLight як виконавчий голова.
Раптом характеристики самої технології FEL викликали жваві дискусії в галузі.
02 FEL, інше рішення для EUV
У всьому ланцюжку постачання чіпів для ШІ голландська компанія ASML наразі є єдиною компанією у світі, яка може виробляти обладнання EUV, утримуючи понад 90% частки ринку літографічного обладнання.
EUV-літографічна машина компанії використовує джерело EUV-світла, створене лазерною плазмою (LPP). Його принцип полягає в бомбардуванні крапель олова, що викидаються з сопла зі швидкістю 50 000 крапель на секунду, лазером на вуглекислому газі потужністю 30 кВт, кожна крапля потрапляє двічі (тобто потрібно 100 000 лазерних імпульсів на секунду), перетворюючи їх на плазму та отримуючи EUV-світло з довжиною хвилі 13,5 нм через переходи між енергетичними рівнями високозаряджених іонів олова.
Хоча технологія LPP дозволила комерціалізувати EUV-літографію, її властиві фізичні обмеження прискорюються з розвитком технологічних процесів.
По-перше, вузьке місце ефективності перетворення енергії. У вищезазначеному поясненні є ключове слово: довжина хвилі 13,5 нм. Це означає, що порівняно з джерелом світла 193 нм, яке використовується в сучасних основних DUV-літографічних машинах, джерело EUV-світла становить лише одну п'ятнадцяту, що дозволяє витравлювати менші канали на кремнієвих пластинах. Наразі ASML в основному використовує лазери на вуглекислому газі від американської компанії Cymer для збудження олов'яної плазми для отримання екстремального ультрафіолетового світла 13,5 нм. Ефективність перетворення від лазера до олов'яної плазми становить 5,5%, плюс електрооптична ефективність самого лазера на вуглекислому газі становить близько 10%, і з урахуванням втрат передачі колекторного дзеркала фактичне використання EUV-світла від мережі до пластини зазвичай становить менше 0,5%.
По-друге, забруднення олов'яними уламками. Під час генерації плазми високошвидкісні розпорошені іони олова та нейтральні уламки постійно осідають на поверхні надзвичайно дорогого багатошарового колекторного дзеркала, що призводить до зниження відбивної здатності та скорочення терміну служби.
Третє — це межа потужності. Поточне джерело світла LPP-EUV досягло максимальної потужності EUV близько 600 Вт. Однак для задоволення потреб виробництва на технологічних нормах 2 нм і нижче необхідна потужність EUV має перевищувати 1,5 кіловата. На цьому етапі EUV з характеристиками 500-600 Вт в основному покладається на багаторазові експозиції для накопичення дози фотонів, щоб компенсувати недолік потужності джерела світла.
У лютому цього року ASML оголосила, що планує представити нову систему джерела світла потужністю до 1000 Вт до 2030 року, що підвищить ефективність виробництва літографічних машин наступного покоління з високою апертурою (high-NA) EUV на 50%. До 2030 року продуктивність обробки пластин одного EUV-пристрою зросте з 220 пластин на годину до 330 пластин на годину.
Порівняно з технологією LPP, FEL не покладається на перетворення плазми. FEL означає лазер на вільних електронах. Вся система джерела світла складається з електронної гармати, яка випромінює початковий електронний пучок, який прискорюється до швидкості, близької до швидкості світла, лінійним прискорювачем (передові рішення часто використовують надпровідні лінійні прискорювачі). Релятивістський високощільний електронний пучок потрапляє в ондулятор, що складається з періодичного змінного магнітного поля. Електрони коливаються поперечно під дією магнітного поля і створюють спонтанне випромінювання; світлове поле випромінювання безперервно модулює електронний пучок, змушуючи електрони утворювати мікрозгустки з періодом, що дорівнює довжині хвилі випромінювання. Мікрозгруповані електрони створюють когерентне випромінювання і утворюють позитивний зворотний зв'язок, а інтенсивність випромінювання зростає експоненціально; за допомогою таких методів, як інжекція затравки, система може в кінцевому підсумку видавати стабільний EUV-пучок з певною довжиною хвилі.
Тому довжина хвилі екстремального ультрафіолетового світла, що виробляється FEL, вважається кандидатом для літографії наступного покоління. Цей діапазон коротший за поточну довжину хвилі EUV 13,5 нм і близький до діапазону м'якого рентгенівського випромінювання. Згідно з публічною інформацією, технічна мета xLight полягає в точному налаштуванні в діапазоні Blue-X (також званому діапазоном "поза EUV") 2-7 нанометрів.
Більше того, у всьому оптичному тракті немає процесу бомбардування краплями металевого олова або розпилення плазми, тому у вакуумній камері оптичного тракту не буде відкладатися металеве сміття. Джерело світла EUV-FEL також може виробляти високу потужність EUV, що перевищує 10 кВт. Воно може одночасно подавати понад 1000 Вт потужності EUV на 10 EUV-літографічних машин, не викликаючи забруднення оловом дзеркал Mo/Si.
03 Чи переписані правила гри літографічних машин?
Знімаючи оболонку індустрії літографії, можна побачити три чіткі технологічні траєкторії: інкрементальна ітерація EUV, інновація джерела світла EUV та альтернативи, що не є EUV. Вони співіснують, але ітерація EUV все ще є абсолютним головним героєм, а останні два більше схожі на "несподівані ходи" у шаховій грі.
Перший табір: інкрементальна ітерація ASML все ще є абсолютним головним героєм.
ASML все ще міцно контролює основну трасу. У першому кварталі цього року чистий обсяг продажів склав 8,8 млрд євро, а чистий прибуток — 2,8 млрд євро; у другому кварталі загальний чистий обсяг продажів склав 9,326 млрд євро, а чистий прибуток — 2,918 млрд євро. У той же час ASML також значно підвищила свій прогноз на весь рік вдруге протягом року, суттєво збільшивши прогноз продажів на 2026 рік до 43-45 млрд євро.
Будучи найбільш ключовим виробником літографічного обладнання у верхній частині виробництва пластин, зростаючі показники ASML відображають гонку озброєнь, що відбувається у всій технологічній індустрії. Серед них Amazon, Google, Microsoft та інші гіганти інвестували сотні мільярдів доларів в інфраструктуру, розпалюючи величезний попит на високоякісні AI-чіпи. Фабрики пластин, включаючи логіку та пам'ять, прискорюють розширення потужностей, доводячи попит на літографічні машини до гарячкової точки.
Розширення потужностей також агресивне. Компанія планує збільшити потужність на 30% у 2027 році на основі плану потужностей на 2026 рік приблизно 65 одиниць low-NA EUV, і вивчає подальше збільшення на 30% у 2028 році. У той же час вона планує збільшити потужність на 30% у 2027 році на основі плану потужностей на 2026 рік приблизно 130 одиниць імерсійних DUV, і вивчає подальше збільшення на 30% у 2028 році.
High-NA EUV — це козирна карта ASML наступного покоління. Вона використовує оптичну систему з числовою апертурою 0,55, досягаючи роздільної здатності 8 нм, підтримуючи технологічні процеси 3 нм і нижче, а також забезпечуючи технічний резерв для вузла 1 нм. Пристрій підвищує точність травлення схем у 1,7 раза за допомогою однократної експозиції, збільшує контраст зображення на 40% і досягає щільності транзисторів у 2,9 раза вищої, ніж у попередньої системи, ефективно знижуючи енергоспоживання чіпа та підвищуючи швидкість обчислень.
Однак, оскільки один високонанометровий EUV-пристрій коштує близько 400 мільйонів доларів, що майже вдвічі більше, ніж традиційні EUV-літографічні машини, а інтеграція виробничих ліній є надзвичайно технічно складною, застосування High-NA EUV не є дуже ідеальним. Старший віце-президент TSMC та заступник співгенерального директора з розвитку бізнесу та глобальних операцій, Чжан Сяоцян, повідомив журналістам на прес-конференції перед щорічним технологічним форумом, що компанія наразі не планує розгортати високонанометрове EUV-обладнання ASML, призначене для процесорів наступного покоління.
Другий табір: інновації в джерелі світла - точний удар у "серце" ASML.
Це шлях FEL, обраний TeraFab та xLight Маска. Замість того, щоб безпосередньо кидати виклик домінуванню ASML в оптичних літографічних машинах, вони шукають прориви в сегменті джерела світла. Це означає, що виробникам чіпів не потрібно масштабно замінювати існуюче обладнання для літографії, травлення, осадження, інспекції тощо; їм потрібно лише замінити систему джерела світла, щоб досягти значного покращення продуктивності та вартості - цей шлях модернізації "підключи і працюй" є дуже привабливим для фабрик.
xLight стверджує, що її система FEL має більш ніж у 4 рази більшу потужність, ніж існуючі системи. Розгортання xLight FEL на існуючих американських фабриках може підвищити ефективність виробництва на 50% та усунути потребу в витратних матеріалах, таких як олово або водень; тоді як розгортання xLight FEL на нових фабриках може підвищити ефективність виробництва на 100%. Це дозволить виробникам виготовляти чіпи з меншими технологічними нормами та вищою ефективністю, тим самим розширюючи технологію літографії наступного покоління.
Якщо джерело світла можна незалежно замінити, переговорна сила ASML буде структурно ослаблена. Однак варто зазначити, що ASML розглядала шлях джерела світла FEL EUV ще десять років тому, але врешті-решт визнала його занадто ризикованим і обрала джерело світла LPP EUV. Тому чи і коли можна подолати проблеми масового виробництва FEL, можливо, ще потребує часу для дослідження.
Крім того, існують інші шляхи джерела світла. Наприклад, стартап із Сан-Франциско Substrate, заснований у 2022 році, обрав шлях рентгенівської літографії на основі прискорювача частинок. Китай також просуває власну технологію джерела світла EUV. Згідно з публічною інформацією, кілька вітчизняних команд досліджують різні технічні шляхи, включаючи зворотну розробку існуючої технології LPP, з метою досягнення прориву між 2028 і 2030 роками.
Серед них такі установи, як Харбінський технологічний інститут, намагаються розробити рішення для літографії на основі лазерно-індукованої плазми розряду (LDP). Принцип полягає у випаровуванні олова між електродами, а потім збудженні плазми через високовольтний розряд. Структура простіша і займає менше місця, ніж LPP, але щільність світлової потужності обмежена, і чи зможе вона підтримувати масове виробництво, залишається під питанням.
Третій табір: нетрадиційні рішення, які повністю обходять EUV, ростуть у тіні.
Наноімпринтна літографія (NIL) є тією, що має найшвидший комерційний прогрес. Безпосередньо відбиваючи візерунки за допомогою фізичного шаблону, NIL не потребує складних оптичних систем і джерел світла, а її вартість обладнання та енергоспоживання набагато нижчі, ніж у EUV. Японський виробник Canon вже просунув застосування NIL у масовому виробництві в галузі мікросхем пам'яті. Хоча його роздільна здатність ще не може конкурувати з High-NA EUV, NIL продемонстрував конкурентоспроможність за вартістю на ринку мікросхем пам'яті, де вимоги до ширини ліній відносно лояльні.
Електронно-променева літографія (EBL) йде зовсім іншим шляхом. Електронно-променева літографія - це, по суті, технологія прямого запису, яка використовує сфокусований електронний промінь для поточкового експонування на резисті, точно окреслюючи візерунки за допомогою електромагнітного керування. Цей метод не залежить від масок і має велику перевагу на етапі досліджень і розробок, де дизайн часто ітерується, особливо підходить для таких сценаріїв, як квантові пристрої, структури нових матеріалів, прототипи чіпів та виготовлення масок.
Але досі електронно-променева літографія давно існує в наукових дослідженнях і дрібномасштабних застосуваннях, не через роздільну здатність, а через ефективність. Електронно-променевий прямий запис - це послідовний процес експонування; навіть якщо точність окремої точки висока, загальна пропускна здатність залишається обмеженою, що неприйнятно для масового виробництва на рівні пластин. Однак на етапі досліджень і розробок ця "повільна" характеристика насправді дає надзвичайно високу гнучкість. Для дослідницьких груп, яким потрібно багаторазово змінювати макети, перевіряти фізичні моделі або досліджувати нові структури пристроїв, усунення процесу виготовлення масок часто важливіше, ніж збільшення швидкості експонування.
Сьогодні EUV все більше нагадує ветерана, який біжить уже довгий час. Технічні вузькі місця реальні, але також реальна екосистемна мережа, яку ASML сплела навколо нього за останні два десятиліття. Нові гравці хочуть увійти в гру; недостатньо просто бігти швидко самим - їм також потрібно, щоб вся траса змінила свої правила разом з ними.
План TeraFab Маска — це, по суті, велика азартна гра: ставка на те, що FEL зможе перейти з лабораторії на фабрику пластин, що заміна джерела світла за принципом "підключи і працюй" зможе обійти патентні бар'єри ASML, і що попит на 1 терават обчислювальної потужності достатній для підтримки абсолютно нового ланцюга постачання.
Як має розвиватися технологія літографії наступного покоління, відповідь, можливо, вже не за горами. Але одне можна сказати точно — коли Маск опублікував "FEL FTW" у соціальних мережах, бізнес літографічних машин більше не був лише грою ASML.
Ця стаття з публічного акаунту WeChat "Semiconductor Industry Observation" (ID: ICViews), автор: Фен Нін.
