Maskless Lithography: A Game Changer for Chip Manufacturers

Litografi, kernen i halvlederfremstilling

At producere halvledere er blevet en af ​​de mest profitable og strategiske industrielle aktiviteter i de 21^st århundrede, med virksomheder som Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ) eller TSMC (TSM ) (følg linkene for en dedikeret rapport om hver af disse virksomheder) at nå markedsværdi i milliarder, hvis ikke flere billioner af dollars.

Næsten alle af dem bruger en proces kaldet fotolitografi. Som navnet indikerer, bruger den meget kraftige lysstråler til at gravere siliciumwafers og omdanne dem til computerchips og andre halvlederkomponenter.

Dette kræver meget specialiserede maskiner med masser af ultrapræcise linser, motorer og et system kaldet en "fotomaske".

Kilde: CopperPod IP

Fotomasker er lavet af kvarts- eller glassubstrater belagt med en uigennemsigtig film, hvorpå mønsteret af den enhed, der fremstilles, er ætset. Denne film er hovedsageligt skabelonen for de chips, der vil blive indgraveret på siliciumwaferen, selvom den miniaturiseres til en meget mindre skala under graveringsprocessen.

De fleste chips er fremstillet ved hjælp af DUV (Deep Ultra-Violet) litografimaskiner, som bruger kraftige UV-stråler til at ætse silicium. Mere avancerede chips bruger EUV (Extreme Ultra-Violet), som bruger endnu mere kraftfuldt UV-lys. For nu, halvlederproducent ASML (ASML ) har monopol på EUV.

Både DUV- og EUV-maskiner er store, dyre og strømkrævende.

En anden mulighed er ved at dukke op med maskeløs litografi. Denne teknologi kan have taget et kæmpe spring fremad takket være verdens første dyb-UV microLED-displaychips opfundet af kinesiske forskere.

I deres arbejde på Hong Kong University of Science and Technology og Southern University of Science and Technology i Shenzhen offentliggjorde de deres resultater i Nature Photonics under titlen "Højeffekt AlGaN dyb-ultraviolette mikrolysemitterende diodeskærme til maskeløs fotolitografi¹".

Maskeløs litografi

Hovedpointen ved at bruge fotomasker til litografi er, at det giver DUV-maskinen mulighed for at bruge meget lys og derefter fokusere en del af det ind i graveringsprocessen. Dette førte imidlertid til lav lyseffektivitet, utilstrækkelig optisk effekttæthed og i sidste ende lav effektivitet og højt energiforbrug.

Et alternativ kunne være at bruge en mere præcis UV-lyskilde, såsom aluminium galliumnitrid dyb-ultraviolet (UVC) mikro-lysemitterende dioder (mikro-LED'er). Det har dog været et problem at udvikle UVC-LED'er med tilstrækkeligt udgangseffekt indtil nu.

Dette betyder, at maskeløs litografi kun er blevet brugt til substrater med lavere opløsning, såsom printkort, i stedet for siliciumwafers af chipkvalitet.

Maskeløs fotolitografi vil drastisk reducere omkostningerne ved fremstilling af halvledere og tilbyde flere tilpasningsmuligheder. Samlet set ville denne teknologi gøre alt elektronisk billigere og lettere at fremstille.

Bedre UVC LED'er

En nøglefaktor i underydelsen af ​​UVC-mikro-LED'er er, at betydelige tilpasningshuller under fremstillingsprocesserne af LED-underenhederne forårsager problemer, når man forsøger at bygge UVC-mikro-LED-skærme i storformat. Ikke alene kan et specifikt LED-lys ikke være ensartet internt, men forskellige LED'er fremstillet på samme tid vil vise forskellige karakteristika.

Kilde: Nature Photonics

Forskerne forbedrede fremstillingsmetoden for med succes at bygge et ensartet 160 × 90 UVC mikro-LED-array. Dette array har en pixelstørrelse på 6 μm og en pitch på 10 μm

Kilde: Nature Photonics

Gør UVC LED'er nyttige

De forbedrede LED'er blev derefter integreret med printkort for at generere og projicere digitale UV-mønstre.

De resulterende systemer kunne vise alle komplekse mønstre og tegninger i intenst UVC-lys.

Kilde: Nature Photonics

På grund af den lille størrelse af LED'erne er der ikke behov for de komplekse forstørrelseslinser, der bruges i fotolitografi ved hjælp af fotomasker.

Efter en 5-sekunders eksponering udvikles en spejlskrevet struktur på waferoverfladen. Dette kunne indgravere mønstre i størrelser fra 3 μm til 100 μm (mikrometer).

Kilde: Nature Photonics

Denne dybe UV-microLED-skærmchip integrerer den ultraviolette lyskilde med mønsteret på masken. Det giver tilstrækkelig bestrålingsdosis til fotoresisteksponering på kort tid, hvilket skaber en ny vej til halvlederfremstilling."

Pr. KWOK Hoi-Sing – Grundlægger af statens nøglelaboratorium for avancerede skærme og optoelektronikteknologier hos HKUST

Yderligere fremskridt

Endnu bedre UVC LED'er

Forskerholdet, der er ansvarligt for denne præstation, mener, at de kan skubbe ydeevnen af ​​deres mikro-LED'er endnu længere fra 320 × 140 prototypen.

De ser en vej til at udvikle 1k, 2k eller endda 8k højopløsnings dybe ultraviolette mikroLED-skærme, som ville gravere mønstre på silicium endnu mere præcist.

"Sammenlignet med andre repræsentative værker byder vores innovation på mindre enhedsstørrelse, lavere drivspænding, højere ekstern kvanteeffektivitet, højere optisk effekttæthed, større arraystørrelse og højere skærmopløsning.

Dr. FENG Feng – Postdoktor ved HKUST

Ekstra støttesystemer

Selvom UVC-microLED'er ikke kræver det samme udvalg af linser som klassisk litografi med fotomasker, er forskernes opløsning endnu ikke tilstrækkelig.

Så relaterede linse- og fokuseringssystemer, ud over omfanget af disse forskeres ekspertise inden for LED-fremstilling, kunne forbedre maskeløs fotolitografi væsentligt. Dette burde dog ikke være et stort teknisk problem for halvlederindustrien, da disse er kendt og almindeligt anvendt teknologi.

Så virksomheder, der allerede producerer DUV-maskiner, kunne nemt skabe et nyt design ved hjælp af maskeløse UVC-mikroLED'er og fokuseringslinser i stedet for det traditionelle design, der kræver dyre fotomasker.

Investering i halvlederlitografi

Da maskeløs litografi bliver en stadig mere almindelig del af halvlederindustrien, vil dette teknologiske skift sandsynligvis resultere i nogle vindere og nogle tabere.

Virksomheder specialiseret i fotomaskeproduktion som Photronics, Inc. (PLAB ) sandsynligvis lider.

På den anden side vil virksomheder, der producerer DUV-litografimaskiner, drage fordel af et nyt maskeløst design. Ved at fjerne et dyrt forbrugsmateriale ville det gøre hele litografioperationen billigere. Billigere halvledere ville øge salgsvolumen og øge efterspørgslen efter DUV-maskiner.

Du kan investere i halvleder-relaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan finde her, på værdipapirer.io, vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, samt mange andre lande.

Eller, hvis du foretrækker en mere diversificeret tilgang, kan du investere i halvlederrelaterede ETF'er som f.eks. iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH)Eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan også lære mere om forsyningskæden for halvlederfremstillingsudstyr og nøglevirksomheder i "Top 10 halvlederudstyrslagre til produktionssupport".

Semiconductor Lithography Company

ASML Holding NV

ASML Oversigt

Hollandske ASML, verdens største leverandør af halvlederudstyr målt på markedsværdi, er også førende inden for området med et næsten monopol på en nøgleteknologi kaldet EUV litografi (Extreme UltraViolet).

EUV giver mulighed for ultrasmå noder, op til 7nm, eller endda 5nm og 3nm. Disse avancerede nodeniveauer anses ofte for nødvendige for applikationer som AI, machine learning, 5G, AR/VR og avancerede cloud-tjenester.

EUV er i øjeblikket i centrum for spændingerne mellem Kina og USA og handelskrige. I sommeren 2022 forbød USA eksport af EUV-maskiner til Kina. Dette blev efterfulgt af bestræbelser fra Huawei på at udvikle sine egne EUV-løsninger, med et patent deponeret i december 2022.

Ved at have et de facto monopol på EUV ud af Kina er ASML en meget fremtrædende producent af chipudstyr, en status forstærket af USA's pres for at begrænse eksporten af ​​teknologien til sin største rival. Som et resultat er ASML en afgørende leverandør til alle chipproducenter, der ønsker at bygge de mest avancerede chips.

EUV er efterfølgeren til tidligere teknologi, også solgt af ASML, DUV-litografien (Deep UltraViolet).

Kilde: ASML

EUV-systemer udgør kun en brøkdel af de solgte maskiner, men til en meget højere pris, så en stor del af omsætningen og overskuddet. Alligevel repræsenterer DUV-systemer (ArFi, ArF, & KrF) størstedelen af ​​virksomhedens salg (61%).

Kilde: ASML

ASML er ikke den eneste DUV-maskineproducent, med konkurrenter som Canon eller Nikon aktive også, men det er langt den mest "fokuserede" virksomhed, mens dens japanske konkurrenter er konglomerater med flere andre aktiviteter.

DUV-maskiner og Kina

Kinesisk konkurrence vokser inden for DUV på grund af den kinesiske regerings pres på indenlandske leverandører af halvlederudstyr.

I betragtning af at forbedrede UVC-microLED'er, den seneste innovation inden for at gøre maskeløs DUV mere realistisk, kom fra forskere i Hongkong og Shenzhen, er dette noget, investorer bør tage i betragtning, især da Kina repræsenterer 47% af ASMLs omsætning.

Eksport af DUV-maskiner til Kina har også været udsat for amerikanske sanktioner, men disse mødte betydelig tilbagegang fra hollænderne, Koreanske og endda taiwanske regerings.

Amsterdam har afgjort, at ASML fra nu af vil skaffe den nødvendige licens til at eksportere deres DUV-maskiner til medlemmer under US Bureau of Industry Standards' Entity List fra den hollandske regering i stedet for den amerikanske regering.

Dette betyder i bund og grund, at den amerikansk-manderede eksportkontrol vil være under licenseringsområde for administratorer i Holland i stedet for USA.

Diplomat

Konklusion Om ASML

På trods af potentielle Kina-relaterede risici er ASML stadig den (næsten) ubestridte leder af litografiindustrien og bevæger sig allerede videre til det næste niveau af EUV-teknologi: EUV-systemer med høj NA (High Numerical Aperture).

High-NA EUV-maskiner bliver nu implementeret: til Intel i december 2023, til TSMC et år senere og til Samsung i 2025.

ASML blev også afsløret i sommeren 2024 sine planer for det næste: "Hyper-NA" EUV-teknologi". Dette koncept, der stadig er i tidlige forskningsstadier, vil ikke blive implementeret før efter 2030.

Kilde: Tech PowerUp

Samlet set gør ASML fremskridt inden for EUV og ekspertise inden for DUV, hvilket gør det til en sandsynlig vinder i enhver tech-krig på områder, der affererer til dets ekspertise, såsom maskeløs DUV.

Det kan dog se en periode med ustabilitet og fornyet konkurrence med kinesiske producenter, der sandsynligvis vil tage markedsandele af landets halvlederproduktion, især hvis de bliver hjulpet af den kinesiske regering eller på grund af USA-beordrede sanktioner vedrørende ASMLs salg til Kina.

Studiereference:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). Højeffekt AlGaN dyb-ultraviolette mikrolysemitterende diodeskærme. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}