الطباعة الحجرية بدون أقنعة: تغيير جذري لمصنعي الرقائق

الطباعة الحجرية، جوهر تصنيع أشباه الموصلات

لقد أصبح إنتاج أشباه الموصلات أحد الأنشطة الصناعية الأكثر ربحية واستراتيجية في القرن الحادي والعشرين.^st القرن، مع شركات مثل NVIDIA (NVDA ), إنتل (INTC ) أو TSMC (TSM ) (اتبع الروابط للحصول على تقرير مخصص لكل من هذه الشركات) تصل قيمتها السوقية إلى مليارات إن لم يكن عدة تريليونات من الدولارات.

تستخدم جميع هذه التقنيات تقريبًا عملية تسمى الطباعة الضوئية. وكما يشير الاسم، تستخدم هذه العملية أشعة ضوئية قوية للغاية لنقش رقائق السيليكون وتحويلها إلى شرائح كمبيوتر ومكونات أشباه الموصلات الأخرى.

يتطلب هذا الأمر آلات متخصصة للغاية مزودة بالعديد من العدسات فائقة الدقة والمحركات ونظام يسمى "قناع الصورة".

المصدر كوبربود IP

تُصنع أقنعة الصور من ركائز من الكوارتز أو الزجاج مغطاة بفيلم معتم يتم نقش نمط الجهاز الذي يتم تصنيعه عليه. هذا الفيلم هو في الأساس قالب للرقائق التي سيتم نقشها على رقاقة السيليكون، على الرغم من تصغيره إلى مقياس أصغر كثيرًا أثناء عملية النقش.

يتم تصنيع معظم الرقائق باستخدام آلات الطباعة الحجرية DUV (الأشعة فوق البنفسجية العميقة)، والتي تستخدم أشعة فوق بنفسجية قوية لنقش السيليكون. تستخدم الرقائق الأكثر تقدمًا EUV (الأشعة فوق البنفسجية الشديدة)، والتي تستخدم ضوءًا فوق بنفسجيًا أقوى. في الوقت الحالي، لا تزال شركة ASML المصنعة لأشباه الموصلات (ASML ) لديه احتكار في EUV.

تعتبر كل من آلات DUV وEUV كبيرة ومكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة.

هناك خيار آخر ناشئ يتمثل في الطباعة الحجرية بدون أقنعة. ربما تكون هذه التقنية قد حققت تقدمًا هائلًا بفضل أول شرائح عرض microLED بالأشعة فوق البنفسجية العميقة في العالم، والتي ابتكرها باحثون صينيون.

ويعمل الباحثون في جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا وجامعة العلوم والتكنولوجيا الجنوبية في شنتشن، وقد نشروا نتائجهم في مجلة Nature Photonics تحت عنوان "شاشات عرض ثنائية باعثة للضوء فوق البنفسجي العميق عالية الطاقة من AlGaN للطباعة الضوئية بدون قناع¹".

الطباعة الحجرية بدون قناع

إن النقطة الأساسية في استخدام أقنعة الصور في الطباعة الحجرية هي أنها تسمح لآلة DUV باستخدام قدر كبير من الضوء، ثم تركيز جزء منه في عملية النقش. ومع ذلك، أدى هذا إلى انخفاض كفاءة الضوء، وعدم كفاية كثافة الطاقة البصرية، وفي النهاية انخفاض الكفاءة وارتفاع استهلاك الطاقة.

قد يكون البديل هو استخدام مصدر ضوء فوق بنفسجي أكثر دقة، مثل الثنائيات الباعثة للضوء الدقيقة (الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي العميق) المصنوعة من نترات الألومنيوم والغاليوم (الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي العميق). ومع ذلك، كان تطوير الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي العميق ذات القدرة الكافية مشكلة حتى الآن.

وهذا يعني أن الطباعة الحجرية بدون قناع قد تم استخدامها فقط للركائز ذات الدقة المنخفضة، مثل لوحات الدوائر المطبوعة، بدلاً من رقائق السيليكون عالية الجودة.

إن تقنية التصوير الضوئي بدون أقنعة من شأنها أن تقلل بشكل كبير من تكلفة تصنيع أشباه الموصلات وتوفر المزيد من خيارات التخصيص. وبشكل عام، فإن هذه التقنية من شأنها أن تجعل أي شيء إلكتروني أرخص وأسهل في التصنيع.

مصابيح LED UVC أفضل

إن العامل الرئيسي في ضعف أداء مصابيح LED الصغيرة UVC هو أن فجوات المحاذاة الكبيرة أثناء عمليات تصنيع وحدات LED الفرعية تسبب مشاكل عند محاولة بناء شاشات LED صغيرة UVC كبيرة الحجم. قد لا يكون ضوء LED معينًا موحدًا داخليًا فحسب، بل إن مصابيح LED المختلفة المصنعة في نفس الوقت ستعرض خصائص مختلفة.

المصدر طبيعة الضوئيات

قام الباحثون بتحسين طريقة التصنيع لبناء مجموعة من مصابيح LED متناهية الصغر UVC بحجم 160 × 90. تتميز هذه المجموعة بحجم بكسل 6 ميكرومتر وزاوية 10 ميكرومتر.

المصدر طبيعة الضوئيات

جعل مصابيح LED UVC مفيدة

وقد تم بعد ذلك دمج مصابيح LED المحسنة مع لوحات الدوائر لتوليد أنماط الأشعة فوق البنفسجية الرقمية وإسقاطها.

يمكن للأنظمة الناتجة عرض أي أنماط ورسومات معقدة في ضوء UVC المكثف.

المصدر طبيعة الضوئيات

بسبب الحجم الصغير لمصابيح LED، ليست هناك حاجة إلى عدسات التكبير المعقدة المستخدمة في الطباعة الضوئية باستخدام أقنعة الصور.

بعد التعرض لمدة 5 ثوانٍ، يتطور هيكل مكتوب على سطح الرقاقة. ويمكن لهذا أن ينقش أنماطًا بأحجام تتراوح من 3 ميكرومتر إلى 100 ميكرومتر.

المصدر طبيعة الضوئيات

"تدمج شريحة العرض microLED ذات الأشعة فوق البنفسجية العميقة هذه مصدر الضوء فوق البنفسجي مع النمط الموجود على القناع. وتوفر جرعة إشعاع كافية لتعرض المقاوم الضوئي في وقت قصير، مما يخلق مسارًا جديدًا لتصنيع أشباه الموصلات."

البروفيسور كووك هوي سينج - المدير المؤسس للمختبر الرئيسي للدولة لشاشات العرض المتقدمة وتقنيات الإلكترونيات البصرية في جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا

مزيد من التقدم

مصابيح LED UVC أفضل

ويعتقد فريق البحث المسؤول عن هذا الإنجاز أنهم قادرون على دفع أداء مصابيح micro-LED الخاصة بهم إلى أبعد من النموذج الأولي الذي تبلغ دقته 320 × 140.

إنهم يرون طريقًا لتطوير شاشات عرض microLED بالأشعة فوق البنفسجية العميقة عالية الدقة 1k أو 2k أو حتى 8k، والتي من شأنها نقش الأنماط على السيليكون بدقة أكبر.

"بالمقارنة مع الأعمال التمثيلية الأخرى، يتميز ابتكارنا بحجم جهاز أصغر، وجهد قيادة أقل، وكفاءة كمية خارجية أعلى، وكثافة طاقة بصرية أعلى، وحجم مجموعة أكبر، ودقة عرض أعلى.

الدكتور فنغ فنغ – زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا

أنظمة الدعم الإضافية

على الرغم من أن مصابيح UVC microLEDs لا تتطلب نفس مجموعة العدسات مثل الطباعة الحجرية الكلاسيكية باستخدام أقنعة الصور، إلا أن دقة الباحثين ليست كافية بعد.

لذا، فإن العدسات وأنظمة التركيز ذات الصلة، والتي تتجاوز نطاق خبرة هؤلاء الباحثين في تصنيع الصمامات الثنائية الباعثة للضوء، قد تعمل على تحسين الطباعة الضوئية بدون قناع بشكل كبير. ومع ذلك، لا ينبغي أن يشكل هذا صعوبة تقنية كبيرة لصناعة أشباه الموصلات، حيث إنها تقنية معروفة ومستخدمة على نطاق واسع.

وبالتالي، يمكن للشركات التي تنتج بالفعل أجهزة DUV أن تبتكر بسهولة تصميمًا جديدًا باستخدام مصابيح microLED UVC بدون أقنعة وعدسات تركيز بدلاً من التصميم التقليدي الذي يتطلب أقنعة ضوئية باهظة الثمن.

الاستثمار في الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات

مع تزايد شيوع الطباعة الحجرية بدون أقنعة في صناعة أشباه الموصلات، فمن المرجح أن يؤدي هذا التحول التكنولوجي إلى ظهور بعض الفائزين وبعض الخاسرين.

الشركات المتخصصة في إنتاج أقنعة الصور مثل Photronics, Inc. (PLAB ) من المرجح أن يعاني.

من ناحية أخرى، ستستفيد الشركات المنتجة لآلات الطباعة الحجرية DUV من تصميم جديد بدون أقنعة. فمن خلال إزالة مادة استهلاكية باهظة الثمن، فإن ذلك سيجعل عملية الطباعة الحجرية بأكملها أرخص. كما أن أشباه الموصلات الأرخص من شأنها أن تعزز حجم المبيعات، مما يزيد الطلب على آلات DUV.

يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بأشباه الموصلات من خلال العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور عليها هنا، على الأوراق المالية.io، توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية, كندا, أستراليا, المملكة المتحدة, وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

أو إذا كنت تفضل نهجًا أكثر تنوعًا، فيمكنك الاستثمار في صناديق الاستثمار المتداولة المرتبطة بأشباه الموصلات مثل مؤسسة iShares Semiconductor ETF (سوكس)أطلقت حملة صندوق VanEck لأشباه الموصلات المتداولة (SMH)، أو صندوق Global X Semiconductor ETF (SEMI).

يمكنك أيضًا معرفة المزيد عن سلسلة توريد معدات تصنيع أشباه الموصلات والشركات الرئيسية في "أفضل 10 مخزونات من معدات أشباه الموصلات لدعم التصنيع".

شركة الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات

ASML القابضة NV

نظرة عامة على ASML

تعد شركة ASML الهولندية أكبر مورد لمعدات أشباه الموصلات في العالم من حيث القيمة السوقية، كما أنها الشركة الرائدة في هذا المجال، مع احتكار شبه كامل تقنية رئيسية تسمى الطباعة الحجرية EUV (Extreme UltraViolet).

تسمح تقنية EUV بالعقد الصغيرة جدًا، التي تصل إلى 7 نانومتر، أو حتى 5 نانومتر و3 نانومتر. غالبًا ما تُعتبر مستويات العقدة المتقدمة هذه ضرورية لتطبيقات مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي و5G وAR/VR والخدمات السحابية المتقدمة.

EUV حاليًا في قلب التوترات والحروب التجارية بين الصين والولايات المتحدة. وفي صيف عام 2022، حظرت الولايات المتحدة تصدير آلات الأشعة فوق البنفسجية إلى الصين. وأعقب ذلك جهود من هواوي لتطوير حلول الأشعة فوق البنفسجية الخاصة بها، مع إيداع براءة اختراع في ديسمبر 2022.

من خلال احتكارها الفعلي لـ EUV خارج الصين، تعد ASML شركة بارزة جدًا في تصنيع معدات الرقائق، وهي مكانة عززتها الضغوط الأمريكية لتقييد تصدير التكنولوجيا إلى منافسها الرئيسي. ونتيجة لذلك، تعد ASML موردًا بالغ الأهمية لجميع الشركات المصنعة للرقائق التي تتطلع إلى بناء الرقائق الأكثر تقدمًا.

EUV هو خليفة للتكنولوجيا السابقة، والتي تباع أيضًا بواسطة ASML، الطباعة الحجرية DUV (الأشعة فوق البنفسجية العميقة).

المصدر ASML

تشكل أنظمة EUV جزءًا ضئيلًا فقط من الآلات المباعة، ولكن بسعر أعلى بكثير، وبالتالي تشكل جزءًا كبيرًا من الإيرادات والأرباح. ومع ذلك، تمثل أنظمة DUV (ArFi وArF وKrF) غالبية مبيعات الشركة (61%).

المصدر ASML

ASML ليست الشركة الوحيدة المصنعة لآلات DUV، مع وجود منافسين نشطين مثل Canon أو Nikon أيضًا، ولكنها الشركة الأكثر "تركيزًا" على الإطلاق، في حين أن منافسيها اليابانيين عبارة عن تكتلات ذات أنشطة متعددة أخرى.

آلات DUV والصين

وتتزايد المنافسة الصينية في قطاع أشباه الموصلات، وذلك بسبب جهود الحكومة الصينية لجذب الموردين المحليين لمعدات أشباه الموصلات.

وبالنظر إلى أن تحسين مصابيح UVC-microLEDs، وهو أحدث ابتكار في جعل DUV بدون قناع أكثر واقعية، جاء من باحثين من هونج كونج وشنتشن، فهذا شيء يجب على المستثمرين أخذه في الاعتبار خاصة وأن الصين تمثل 47٪ من إيرادات ASML.

كما خضعت صادرات آلات DUV إلى الصين للعقوبات الأمريكية أيضًا، لكن هذه قوبلت بمقاومة كبيرة من الهولندية، الحكومة الكورية، وحتى التايوانيةs.

قررت أمستردام أنه من الآن فصاعدًا، ستقوم شركة ASML بالحصول على الترخيص اللازم لتصدير آلات DUV الخاصة بها إلى الأعضاء الموجودين ضمن قائمة كيانات مكتب معايير الصناعة الأمريكي من الحكومة الهولندية بدلاً من الحكومة الأمريكية.

ويعني هذا أساسًا أن ضوابط التصدير التي فرضتها الولايات المتحدة ستكون تحت سلطة الترخيص للمسؤولين في هولندا بدلاً من الولايات المتحدة.

الدبلوماسي

الخاتمة حول ASML

ومع ذلك، وعلى الرغم من المخاطر المحتملة المرتبطة بالصين، فإن ASML هي الزعيم (بلا منازع تقريبًا) لصناعة الطباعة الحجرية، وقد انتقلت بالفعل إلى المستوى التالي من تكنولوجيا EUV: أنظمة EUV ذات الفتحة العددية العالية (NA-High Numerical Aperture).

يتم الآن نشر أجهزة EUV ذات NA العالي: لشركة Intel في ديسمبر 2023، ولشركة TSMC بعد عام، ولشركة Samsung بحلول عام 2025.

كما تم الكشف عن ASML في صيف عام 2024 خططها لما سيأتي بعد ذلك: تقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى "Hyper-NA". هذا المفهوم، الذي لا يزال في مراحله البحثية المبكرة، لن يتم نشره حتى بعد عام 2030.

المصدر تعزيز التكنولوجيا

بشكل عام، فإن التقدم الذي أحرزته شركة ASML في مجال EUV والخبرة في DUV يجعلها فائزًا محتملًا في أي حرب تقنية في المجالات التابعة لخبرتها، مثل DUV بدون قناع.

ومع ذلك، قد نشهد فترة من عدم الاستقرار والمنافسة المتجددة مع احتمال استحواذ الشركات المصنعة الصينية على حصص سوقية من إنتاج أشباه الموصلات في البلاد، وخاصة إذا ساعدتها الحكومة الصينية أو بسبب العقوبات التي أمرت بها الولايات المتحدة بشأن مبيعات ASML إلى الصين.

مرجع الدراسة:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). شاشات عرض ثنائية باعثة للضوء فوق البنفسجي العميق عالية الطاقة من AlGaN. طبيعة الضوئيات. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}