Computing

Maskeløs litografi: En spilskifter for chipproducenter

mm
Udgivet den
Opdateret den
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Oplysning: Securities.io kan modtage betaling, når du bruger links til produkter, vi anmelder. Det påvirker ikke vores redaktionelle vurderinger. Vi er ikke registreret investeringsrådgiver; dette er ikke investeringsrådgivning. Læs vores affiliateoplysning.

Lithografi, kernen i fremstilling af halvledere

Produktion af halvledere er blevet en af de mest rentable og strategiske industrielle aktiviteter i det 21.st århundrede, med virksomheder som Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), eller TSMC (TSM ) (følg linkene for en dedikeret rapport om hver af disse virksomheder) med en markedsværdi i milliarder, hvis ikke flere trillioner dollars.

Størstedelen af dem bruger en proces kaldet fotolitografi. Som navnet antyder, bruger den meget kraftige lysstråler til at gravere siliciumskiver og omdanne dem til computerchips og andre halvlederkomponenter.

Dette kræver meget specialiserede maskiner med masser af ultra‑præcise linser, motorer og et system kaldet en “fotomask”.

Fotomasker er lavet af kvarts- eller glasunderlag belagt med en uigennemsigtig film, hvorpå mønsteret af den enhed, der fremstilles, ætset. Denne film er i bund og grund skabelonen for de chips, der skal graveres på siliciumskiven, selvom den miniaturiseres til en meget mindre skala under graveringen.

De fleste chips fremstilles 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 anvender endnu kraftigere UV‑lys. Indtil videre har halvlederproducenten ASML (ASML ) et monopol på EUV.

Både DUV‑ og EUV‑maskiner er store, dyre og energikrævende.

Et andet alternativ er ved at komme frem med maskeløs litografi. Denne teknologi kan have gjort et kæmpe skridt fremad takket være verdens første deep‑UV micro‑LED display‑chips opfundet af kinesiske forskere.

Arbejder ved 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 “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography1”.

Maskeløs litografi

Hovedpointen ved at bruge fotomasker til litografi er, at det tillader DUV‑maskinen at bruge meget lys og derefter fokusere en del af det i gravereprocessen. Dette førte dog til lav lysudnyttelse, utilstrækkelig optisk effekt­tetæthed og i sidste ende lav effektivitet og højt energiforbrug.

Et alternativ kunne være at bruge en mere præcis UV‑lyskilde, såsom aluminium‑gallium‑nitrat deep‑ultraviolet (UVC) micro‑light‑emitting diodes (micro‑LEDs). Udviklingen af UVC‑LEDs med tilstrækkelig effekt har dog indtil nu været et problem.

Dette betyder, at maskeløs litografi kun er blevet brugt til lavere opløsningssubstrater, såsom print‑kort, i stedet for chip‑kvalitets siliciumskiver.

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

Bedre UVC‑LEDs

En vigtig faktor i den mangelfulde ydeevne for UVC‑micro‑LEDs er, at betydelige justeringshuller under fremstillingsprocesserne af LED‑underenhederne forårsager problemer, når man forsøger at bygge store UVC‑micro‑LED‑displays. Ikke kun kan et specifikt LED‑lys være ujævnt internt, men forskellige LEDs fremstillet på samme tid vil vise forskellige egenskaber.

Forskerne forbedrede fremstillingsmetoden for succesfuldt at bygge et ensartet 160 × 90 UVC‑micro‑LED‑array. Dette array har en pixelstørrelse på 6 μm og en pitch på 10 μm

Gøre UVC‑LEDs nyttige

De forbedrede LEDs blev derefter integreret med kredsløbskort for at generere og projicere digitale UV‑mønstre.

De resulterende systemer kunne vise enhver kompleks mønster og tegning i intens UVC‑lys.

På grund af de små LED‑størrelser er der ingen grund til de komplekse demagnifikationslinser, der bruges i fotolitografi med fotomasker.

Efter en 5‑sekunders eksponering udvikles en spejlskrevet struktur på wafer‑overfladen. Dette kan gravere mønstre i størrelser fra 3 μm til 100 μm (mikrometer).

Dette deep‑UV microLED display‑chip integrerer ultraviolet‑lyskilden med mønsteret på masken. Det leverer tilstrækkelig stråledosis for fotoresist‑eksponering på kort tid, og skaber en ny vej for fremstilling af halvledere.”

Pr. KWOK Hoi‑Sing – Founding Director of the State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies at HKUST

Yderligere fremskridt

Endnu bedre UVC‑LEDs

Forskningsholdet bag denne præstation mener, at de kan skubbe ydeevnen af deres micro‑LEDs endnu længere fra 320 × 140‑prototypen.

De ser en vej til at udvikle 1k, 2k eller endda 8k høj‑opløsnings deep‑ultraviolet microLED‑skærme, som ville gravere mønstre på silicium endnu mere præcist.

“Sammenlignet med andre repræsentative værker har vores innovation mindre enhedsstørrelse, lavere drivspænding, højere ekstern kvanteeffektivitet, højere optisk effekt­tetæthed, større array‑størrelse og højere display‑opløsning.

Dr. FENG Feng – Postdoctoral research fellow at HKUST

Ekstra støttesystemer

Selvom UVC‑microLEDs ikke kræver den samme række linser som klassisk litografi med fotomasker, er forskernes opløsning endnu ikke tilstrækkelig.

Derfor kunne relaterede linse‑ og fokussystemer, uden for forskernes ekspertise inden for LED‑produktion, væsentligt forbedre maskeløs fotolitografi. Dette bør dog ikke udgøre en stor teknisk udfordring for halvlederindustrien, da disse teknologier er kendte og almindeligt anvendte.

Derfor kunne virksomheder, der allerede producerer DUV‑maskiner, let skabe et nyt design ved at bruge maskeløse UVC‑microLEDs og fokuseringslinser i stedet for det traditionelle design, der kræver dyre fotomasker.

Investering i halvleder‑litografi

Efterhånden som 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 produktion af fotomasker som Photronics, Inc. (PLAB ) vil sandsynligvis lide under dette.

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

Du kan investere i semiconductor‑relaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, såvel som mange andre lande.

Eller, hvis du foretrækker en mere diversificeret tilgang, kan du investere i semiconductor‑relaterede ETF’er som iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH), eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan også lære mere om forsyningskæden for udstyr til fremstilling af halvledere og nøglevirksomheder i “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Halvleder‑litografivirksomhed

ASML Prisdiagram

ASML‑oversigt

Verdens største leverandør af halvlederudstyr målt på markedsværdi, den hollandske ASML er også førende inden for feltet, med et quasi‑monopol på en nøgle‑teknologi kaldet EUV‑litografi (Extreme UltraViolet).

EUV muliggør ultra‑små noder, op til 7 nm, eller endda 5 nm og 3 nm. Disse avancerede node‑niveauer betragtes ofte som nødvendige for anvendelser som AI, maskinlæring, 5G, AR/VR og avancerede cloud‑tjenester.

EUV er i øjeblikket i centrum for Kina‑USA‑spændinger og handelskrige. Sommeren 2022 forbød USA eksport af EUV‑maskiner til Kina. Dette blev efterfulgt af Huawei‑forsøg på at udvikle egne EUV‑løsninger, med et patent indleveret i december 2022.

Ved at have et de‑facto monopol på EUV uden for Kina er ASML en meget fremtrædende producent af chip‑udstyr, en status forstærket af USAs pres for at begrænse eksporten af teknologien til sin hovedrival. Som følge heraf er ASML en afgørende leverandør til alle chipproducenter, der ønsker at bygge de mest avancerede chips.

EUV er efterfølgeren til den tidligere teknologi, også solgt af ASML, DUV‑litografi (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 indtægterne og overskuddet. DUV‑systemer (ArFi, ArF & KrF) udgør stadig størstedelen af virksomhedens salg (61%).

Kilde: ASML

ASML er ikke den eneste producent af DUV‑maskiner, med konkurrenter som Canon eller Nikon også aktive, men det er langt den mest “fokuserede” virksomhed, mens de japanske konkurrenter er konglomerater med mange andre aktiviteter.

DUV‑maskiner & Kina

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

Da de forbedrede UVC‑microLEDs, den seneste innovation i at gøre maskeløs DUV mere realistisk, stammer fra forskere i Hong Kong og Shenzhen, bør investorer tage dette i betragtning, især da Kina udgør 47 % af ASML’s indtægter.

Eksport af DUV‑maskiner til Kina har også været underlagt amerikanske sanktioner, men disse mødte betydelig modstand fra de hollandske, koreanske og endda taiwanske regeringer.

Amsterdam har besluttet, at fra nu af vil ASML indhente den nødvendige licens til at eksportere deres DUV‑maskiner til medlemmer under den amerikanske Bureau of Industry Standards’ Entity List fra den hollandske regering i stedet for den amerikanske regering.

Dette betyder i bund og grund, at de USA‑pålagte eksportkontroller vil være under licensansvaret for administratorer i Holland i stedet for i USA.

The Diplomat

Konklusion om ASML

Alligevel, på trods af potentielle Kina‑relaterede risici, er ASML den (næsten) ubestridte leder inden for litografibranchen og er allerede på vej til næste niveau af EUV‑teknologi: high‑NA EUV‑systemer (High Numerical Aperture).

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

ASML afslørede også i sommeren 2024 sine planer for, hvad der kommer næste: “Hyper‑NA” EUV‑teknologi”. Dette koncept, som stadig er i de tidlige forskningsstadier, vil ikke blive implementeret før efter 2030.

Samlet set gør ASML’s fremskridt inden for EUV og ekspertise i DUV det til en sandsynlig vinder i enhver teknologisk krig inden for felter relateret til deres ekspertise, såsom maskeløs DUV.

Det kan dog opleve en periode med ustabilitet og fornyet konkurrence med kinesiske producenter, som sandsynligvis vil tage markedsandele i landets halvlederproduktion, især hvis de får støtte fra den kinesiske regering eller på grund af USA‑pålagte sanktioner vedrørende ASML’s salg til Kina.

Studierreferencer:

1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays. Nature Photonics. https&#58//doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der arbejdede med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu aktieanalytiker og finansskribent med fokus på innovation, markedscyklusser og geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.