ASML is nog steeds bezig met de uitrol van de eerste generatie High-NA EUV, maar de halfgeleiderindustrie kijkt al uit naar de volgende stap: Hyper-NA. Deze technologie wordt beschouwd als een mogelijke evolutie van EUV-litografie met 13,5 nm, met een hogere numerieke aperture dan de huidige systemen en met een duidelijke doelstelling voor chipfabrikanten: kleinere structuren printen zonder in oneindigheid uit te voeren, maskers te multipliceren of meerdere processtappen te gebruiken.
Het concept is simpel uit te leggen, maar ongelooflijk complex om te realiseren. Huidige EUV-scanners uit de NXE-familie werken met een NA van 0,33. De nieuwe High-NA EXE-systemen verhogen dat getal naar 0,55 NA en verlagen de resolutie tot ongeveer 8 nm, waardoor kenmerken 1,7 keer kleiner kunnen worden geprint en transistordichtheden tot 2,9 keer hoger kunnen liggen dan bij NXE, aldus ASML. Hyper-NA zou deze logica verder doorzetten, met haalbaarheidsstudies rond een NA van 0,75 tot 0,85.
Het is geen machine die morgen in een fabriek staat. Hyper-NA bevindt zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelfase en hangt af van echte vraag, kosten, optiek, dieptescherpte, maskers, resists, metrologie en productiviteit. Maar alleen al de vermelding in de roadmap is belangrijk: de schaalvergroting stopt niet bij High-NA of de eerste 2 nm-nodes. De productie van CPU’s, GPU’s en AI-versnellers zal blijven vragen om hogere resolutie en minder complexiteit per laag.
Waarom verandert de numerieke aperture de lithografie?
In lithografie hangt de resolutie vooral af van twee factoren: de golflengte van het gebruikte licht en de numerieke aperture van het optische systeem. EUV maakte een grote sprong door licht te gebruiken van 13,5 nm in plaats van de 193 nm van DUV-lithografie, waardoor veel kleinere patronen mogelijk werden. Hyper-NA draait om een andere grote factor: het verhogen van de capaciteit van het systeem om licht te verzamelen en scherp te focussen, zodat kleinere patronen kunnen worden vastgelegd.
Hyper-NA zou die aperture boven de 0,55 NA van High-NA brengen. In theorie verbetert dat de resolutie en het contrast, wat essentieel is voor het printen van kritische lagen in geavanceerde chips. Het nadeel is dat een hogere NA de dieptescherpte beperkt, de optieken moeilijker maakt, maskers meer uitdaging geven en het hele fabricage-ecosysteem opnieuw moet worden afgestemd.
| EUV-generatie | Aperture | Geschatte resolutie | Verwacht rendement |
|---|---|---|---|
| Low-NA EUV / NXE | 0,33 NA | 13 nm | Huidige productie voor geavanceerde nodes |
| High-NA EUV / EXE | 0,55 NA | 8 nm | 2 nm, sub-2 nm en geavanceerd geheugen |
| Hyper-NA EUV | 0,75–0,85 NA in haalbaarheidsstudies | Onder High-NA | Vervolgschaling met minder multipatterning |
| Beyond EUV | Golflengte korter dan 13,5 nm | Nog experimenteel | Langetermijnalternatief |
Dit toont waarom ASML niet stopt bij High-NA. Chipfabrikanten moeten steeds kleinere lijnen en structuren printen. Als een enkele projectie niet voldoende is, wordt multipatterning toegepast: meerdere exposures, maskers of processtappen voor dezelfde laag. Dit werkt, maar verhoogt de kosten, verlengt de productiecyclus en vergroot de kans op fouten.
De vijand: overmatig multipatternen
Geavanceerde lithografie draait niet meer alleen om het printen van kleinere patronen. Het is er ook om een economische productie mogelijk te maken. Kritische lagen die meerdere uitlagen, maskers of etappes vergen, worden duurder en langzamer om te fabriceren. Daarnaast verhoogt elke extra stap de kans op fouten.
High-NA probeert die complexiteit te verminderen door structuren in één projectie te printen die bij 0,33 NA nog moeilijker te maken waren. ASML stelt dat EXE de procescomplexiteit kan verlagen en het aantal wafers dat per uur wordt geproduceerd kan verhogen door kortere cycli. Hyper-NA geldt als de logische vervolgstap wanneer High-NA niet meer voldoende is.
| Uitdaging multipatterning | Impact op productie |
| Meer maskers | Hogere kosten |
| Meerdere exposities | Langere doorlooptijd per wafer |
| Meer processtappen | Langere cycli |
| Uitgebreide uitlijning | Risico op overlay-fouten |
| Potentiële defecten | Verminderde yield |
| Hoger energieverbruik | Hogere kosten en milieubelasting |
Voor de eindgebruiker betekent dit niet dat Hyper-NA een sneller of krachtiger chip oplevert. Het stelt fabrikanten zoals Intel, TSMC, Samsung in staat om lagen dichter te printen met minder stappen. Als dat leidt tot meer transistors, betere architecturen en controleerbare kosten, kan het wel de prestaties, het energieverbruik en de prijs van chips beïnvloeden.
High-NA bevindt zich nog in de opstartfase
Voordat Hyper-NA echt commercieel wordt, moet worden benadrukt dat High-NA nog volop wordt geïntroduceerd. In december 2023 heeft ASML de eerste modules van de TWINSCAN EXE:5000 naar Intel gestuurd. Deze platform gebruikt anamorfische optiek, verhoogt NA van 0,33 naar 0,55 en is bedoeld voor de meest geavanceerde logische nodes en dens geheugen.
De adaptatie verloopt traag omdat de machines zeer duur, groot en complex zijn. Ze vereisen ook aanpassing van processen, maskers, ontwerp, metrologie en productieflows. Intel was de eerste grote gebruiker, terwijl TSMC, Samsung en geheugenfabrikanten de technologie zorgvuldig afwegen voordat ze de productie starten.
| Factoren voor adoptie van High-NA | Redenen voor de uitdaging |
| Kostprijs van de scanner | Honderden miljoen euro per machine |
| Procesaanpassingen | Vereist aanpassingen in de productie |
| Maskers en ontwerp | Benodigd voor compatibele workflows |
| Beperkt projectieveld | Snellere stappen nodig om de productiviteit te behouden |
| Metrologie | Structures worden kleiner en meten vereist precisie |
| Timing met technische roadmap | Moet aansluiten bij de plannen van elke fabrikant |
| Kosten per laag | Beslist of het de kosten waard is in vergelijking met multipatterning |
ASML beweert dat EXE meer dan 185 wafers per uur kan printen en dat hun routekaart die productiviteit verder zal verhogen. Ze stellen ook dat High-NA minder defecten veroorzaakt door beter contrast en dat er minder dosis licht nodig is per projectie, waardoor de printtijd per laag korter wordt. Dit zijn belangrijke verbeteringen, maar de industrie besluit niet alleen op basis van fysica: het gaat vooral om de totale kosten.
Hyper-NA: een antwoord voor de tweede helft van de komende decade
Haalbaarheidsstudies plaatsen Hyper-NA buiten High-NA, waarschijnlijk in de tweede helft van de jaren 2030, afhankelijk van de zakelijke afwegingen. Het doel is het verder uitbreiden van EUV 13,5 nm vóór het overwegen van radicalere oplossingen zoals lithografie met kortere golflengten.
Het voordeel van het vasthouden aan 13,5 nm is dat het ecosysteem al rond EUV is opgebouwd: lichtbronnen, kennis, materialen, metrologie, procesontwerp en leveranciers. Overstappen op kortere golflengten zou een natuurlijke resolutiestap kunnen betekenen, maar dat vereist een volledige herbouw van veel componenten. Hyper-NA probeert de huidige EUV-technologie uit te rekken zonder meteen over te schakelen naar een compleet nieuwe platform.
| Technologische route | Voordeel | Dificultiteit |
| Low-NA met multipatterning | Gebruik van een volwassen ecosysteem | Meer complexiteit en kosten |
| High-NA | Beter resolutie met EUV zoals nu | Hoge kosten en industriële aanpassing |
| Hyper-NA | Meer resolutie en minder multipatterning in de toekomst | Diepte van focus, optiek en maskers |
| Beyond EUV | Kortere golflengte | Nog ontbreken van bronnen, spiegels, resists en ecosysteem |
| Geavanceerd packaging | Verbeterd rendement zonder alleen te schalen | Integratiecomplexiteit |
De kernvraag is economisch. Hyper-NA zal interessant worden als het de totale kosten per laag verlaagt ten opzichte van High-NA met multipatterning. Als de machines te duur, te langzaam of te complex zijn, zoekt de industrie wellicht andere oplossingen: slimmer ontwerpen, chiplets, geavanceerd packagen, gestapelde geheugens of complementaire lithografie.
CPU, GPU en AI: waarom hebben ze meer resolutie nodig?
Moderne processors groeien niet meer alleen door hogere kloksnelheid. CPU’s, GPU’s en AI-versnellers hebben meer transistors, meer cache, speciale units, hogere interne bandbreedte en efficiënter energiegebruik nodig. Om dat te realiseren, moeten fabrikanten in kritische lagen nog kleinere afmetingen realiseren en die miniaturisatie combineren met nieuwe architecturen.
AI drukt extra: training- en inferentiechips zijn gigantisch, duur en gevoelig voor prestaties per watt. Elke toename in dichtheid helpt om meer rekenmodules, geheugens of connecties te integreren. Maar als het fabricageproces te veel stappen vereist, wordt de kostprijs onhoudbaar.
| Type chip | Voordelen van geavanceerdere lithografie |
| CPU | Meer cache, hogere efficiëntie, meer transistors per oppervlakte |
| GPU | Meer rekenunits, beter rendement per watt |
| AI-versnellers | Hogere dichtheid voor matrixbewerkingen, connectiviteit en besturing |
| Geavanceerd DRAM | Compactere cellen, hogere dichtheid | Mobiele chips | Minder verbruik en meer functies geïntegreerd |
| Chiplets | Dense dies gecombineerd met geavanceerd package |
Lithografie lost niet alle beperkingen van silicium op. Warmte, energieverbruik, ontwerp, verpakking en geheugen zijn net zo belangrijk als het technologische node. Maar zonder vooruitgang in kritische lagen wordt de industrie beperkt in haar mogelijkheid om de dichtheid verder te verhogen.
Europa behoudt een centrale rol in de technologische macht
ASML is een Europees bedrijf, maar haar invloed is mondiaal. Haar EUV-scanners zijn onmisbaar voor het fabriceren van de meest geavanceerde chips. Niemand anders biedt momenteel een commercieel alternatief voor EUV-productie. Daardoor is de Nederlandse onderneming een strategische speler in de gehele halfgeleiderketen.
Hyper-NA versterkt die positie op lange termijn. Als de industrie het EUV-pad een decennium volhoudt, blijft ASML een centrale speler. Maar deze voorsprong brengt ook druk: elke nieuwe generatie scanner moet op tijd, met voldoende productiviteit en betaalbare kosten beschikbaar zijn.
| Betrokken partijen | Interesse in High-NA en toekomstige generaties |
| ASML | Leiderschap in geavanceerde lithografie behouden |
| ZEISS SMT | Optiek van zeer hoge precisie |
| Intel | Herwinning van procesleiderschap |
| TSMC | Adoptie wanneer kosten passen bij roadmap |
| Samsung | Concurreren in geavanceerde logica en geheugen |
| SK hynix en Micron | Vooruitgang in DRAM en geheugen voor AI |
| imec | Procesvalidatie en haalbaarheidsstudies voor de toekomst |
Het beheer van deze technologie heeft ook geopolitieke dimensies. De Verenigde Staten, Europa, Japan, Zuid-Korea, Taiwan en China beseffen dat geavanceerde lithografie bepaalt welke chips waar kunnen worden geproduceerd. Exportbeperkingen voor EUV onderstrepen dat deze machines nu strategische infrastructuur vormen.
Wat moet nog worden opgelost
Hyper-NA biedt veelbelovende mogelijkheden, maar er zijn nog veel onbekenden. Een hogere NA verlaagt de diepte van focus, waardoor het lastiger wordt om een goede afbeelding te behouden bij kleine variaties in wafer, masker of proces. Ook kunnen nieuwe aanpakken nodig zijn voor resists, maskers, inspectie, correctie en defectcontrole.
Bovendien speelt productiviteit een cruciale rol. Als een machine fijnere patronen print maar te langzaam is, wegen de kosten niet op tegen de voordelen. Het succes van Hyper-NA hangt af van of hogere resolutie gecombineerd kan worden met throughput, stabiliteit, beschikbaarheid en een redelijke integratie in fabrieken.
| Uitdagingen Hyper-NA | Waarom ze belangrijk zijn |
| Diepte van focus | Beperkt de marge voor procesvariaties |
| Optiek | Meer precisie, grotere complexiteit |
| Maskers | Nieuwe ontwerp- en inspectievereisten |
| Resists | Materialen die gevoeliger en stabieler moeten zijn |
| Metrologie | Het meten van steeds kleinere structuren |
| Productiviteit | Competitieve kosten per wafer |
| EDA-ecosysteem | Ontwerpen die voorbereid zijn op nieuwe regels |
| Systeemkosten | Redenen voor de investering ten opzichte van multipatterning met High-NA |
Het is dus belangrijk om niet te snel te juichen op basis van de techniek alleen. Hyper-NA garandeert niet automatisch goedkopere of snellere chips. Het is een mogelijke tool om de verdere schaalvergroting in geavanceerde productie mogelijk te maken. De waarde hangt af van de timing, kosten en of het voldoende vermindert in complexiteit ten opzichte van alternatieven.
De toekomst van EUV wordt bepaald door economische factoren, niet alleen door fysica
De halfgeleiderindustrie blijft fysieke grenzen verkennen, maar elke nieuwe generatie wordt alleen aangenomen als het economisch logisch is. High-NA ondergaat deze toets al, en Hyper-NA zal dat nog sterker doen.
ASML kan aantonen dat het mogelijk is om kleinere patronen te printen met grotere aperture. De volgende stap zal zijn om te bewijzen dat fabrikanten deze capaciteit kunnen benutten in productie, met goede yields en zonder onacceptabele kostenverhogingen. Grote fabrikanten zoals Intel, TSMC en Samsung zullen Hyper-NA niet kopen vanwege de technische elegantie, maar omdat het betere fabricage mogelijk maakt dan High-NA gecombineerd met multipatterning.
De kernboodschap is dat EUV nog een grote toekomst heeft. De overgang van NXE naar EXE markeert een van de grootste evoluties in moderne lithografie. Hyper-NA mikt op de volgende: de kerntool blijven, zelfs wanneer nieuwe nodes hogere resolutie en minder stappen vereisen.
De komende tien jaar worden niet alleen bepaald op basis van CPU- en GPU-ontwerpen. Het gaat ook over cleanrooms, spiegels, lichtbronnen, resists, maskers en scanners die honderden miljoenen kosten. Hyper-NA is voorlopig een technische belofte, maar het is ook een teken dat ASML al nadenkt over het antwoord op de vraag die alle fabrikanten zich na High-NA zullen stellen: hoe kunnen we blijven schalen zonder dat elke kritieke laag een ingewikkelde multipatterning wordt.
Veelgestelde vragen
Wat is Hyper-NA EUV?
Hyper-NA EUV is een mogelijke evolutie van EUV-litografie, waarbij de apertuur boven die van High-NA ligt, met studies rond 0,75-0,85 NA, voor het printen van kleinere patronen.
Hoeverschilt het van High-NA?
High-NA gebruikt 0,55 NA en biedt een resolutie van ongeveer 8 nm op het ASML EXE-platform. Hyper-NA streeft naar nog hogere resolutie en minder afhankelijkheid van multipatterning in latere generaties.
Komt het snel op de markt?
Nee. Hyper-NA bevindt zich nog in de haalbaarheidsstudies. De adoptie in de industrie zal waarschijnlijk pas plaatsvinden wanneer High-NA niet meer voldoet voor latere nodes.
Waarom is het relevant voor CPU, GPU en AI?
Omdat het de fabricage van dichter gepakte lagen mogelijk maakt met minder stappen, wat belangrijk is voor krachtigere en efficiëntere processors, GPUs en AI-chipsets.