Maskenlose Lithografie: Ein Wendepunkt für Chip-Hersteller

Lithografie, das Kernstück der Halbleiterfertigung

Producing semiconductors has become one of the most profitable and strategic industrial activities in the 21^st century, with companies like Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), or TSMC (TSM ) (Folgen Sie den Links für einen eigenen Bericht zu jedem dieser Unternehmen) mit einer Marktkapitalisierung in Milliarden, wenn nicht mehreren Billionen Dollar.

Fast alle verwenden ein Verfahren namens Fotolithografie. Wie der Name schon sagt, nutzt es sehr leistungsstarke Lichtstrahlen, um Siliziumwafer zu gravieren und sie in Computerchips und andere Halbleiterkomponenten zu verwandeln.

Dafür sind hochspezialisierte Maschinen mit zahlreichen ultra-präzisen Linsen, Motoren und einem System, das „Photomask“ genannt wird, erforderlich.

Quelle: CopperPod IP

Photomasken bestehen aus Quarz- oder Glassubstraten, die mit einer undurchsichtigen Schicht beschichtet sind, auf die das Muster des zu fertigenden Bauteils geätzt wird. Diese Schicht ist im Wesentlichen die Vorlage für die Chips, die auf dem Siliziumwafer graviert werden, wobei sie während des Gravurprozesses stark verkleinert wird.

Die meisten Chips werden mit DUV‑ (Deep Ultra‑Violet) Lithografiemaschinen hergestellt, die leistungsstarke UV‑Strahlen zum Ätzen des Siliziums verwenden. Fortgeschrittenere Chips nutzen EUV (Extreme Ultra‑Violet), das noch stärkere UV‑Licht einsetzt. Derzeit hat der Halbleiterhersteller ASML (ASML ) ein Monopol auf EUV.

Sowohl DUV‑ als auch EUV‑Maschinen sind groß, teuer und energieintensiv.

Eine weitere Option entsteht mit maskenloser Lithografie. Diese Technologie könnte dank der weltweit ersten Deep‑UV‑Micro‑LED‑Display‑Chips, die von chinesischen Forschern erfunden wurden, einen riesigen Sprung nach vorne gemacht haben.

Arbeiten an der Hong Kong University of Science and Technology und der Southern University of Science and Technology in Shenzhen, veröffentlichten sie ihre Ergebnisse in Nature Photonics unter dem Titel “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography¹”.

Maskenlose Lithografie

Der Hauptgrund für die Verwendung von Photomasken bei der Lithografie besteht darin, dass die DUV‑Maschine viel Licht nutzen kann und dann einen Teil davon in den Gravurprozess fokussiert. Dies führte jedoch zu niedriger Lichteffizienz, unzureichender optischer Leistungsdichte und letztlich zu geringer Effizienz und hohem Energieverbrauch.

Eine Alternative könnte die Verwendung einer präziseren UV‑Lichtquelle sein, wie Aluminium‑Galliumnitrid‑Deep‑UV (UVC) Mikro‑Leuchtdioden (Micro‑LEDs). Die Entwicklung von UVC‑LEDs mit ausreichender Leistungsabgabe war jedoch bisher ein Problem.

Das bedeutet, dass maskenlose Lithografie bisher nur für Substrate mit niedrigerer Auflösung, wie Leiterplatten, verwendet wurde, nicht jedoch für chip‑qualifizierte Siliziumwafer.

Maskenlose Fotolithografie würde die Kosten der Halbleiterfertigung drastisch senken und mehr Anpassungsoptionen bieten. Insgesamt würde diese Technologie alles Elektronische günstiger und einfacher herzustellen machen.

Bessere UVC‑LEDs

Ein entscheidender Faktor für die Unterperformance von UVC‑Micro‑LEDs ist, dass erhebliche Ausrichtungsfehler während der Fertigungsprozesse der LED‑Untereinheiten Probleme beim Bau von großformatigen UVC‑Micro‑LED‑Displays verursachen. Nicht nur kann ein bestimmtes LED‑Licht intern nicht einheitlich sein, sondern verschiedene gleichzeitig hergestellte LEDs zeigen unterschiedliche Eigenschaften.

Quelle: Nature Photonics

Die Forscher verbesserten das Fertigungsverfahren, um erfolgreich ein einheitliches 160 × 90 UVC‑Micro‑LED‑Array zu bauen. Dieses Array verfügt über eine Pixelgröße von 6 µm und einen Pitch von 10 µm.

Quelle: Nature Photonics

UVC‑LEDs nutzbar machen

Die verbesserten LEDs wurden anschließend in Leiterplatten integriert, um digitale UV‑Muster zu erzeugen und zu projizieren.

Die resultierenden Systeme konnten beliebige komplexe Muster und Zeichnungen in intensivem UVC‑Licht darstellen.

Quelle: Nature Photonics

Aufgrund der geringen Größe der LEDs ist keine komplexe Demagnifikationslinse erforderlich, wie sie bei der Fotolithografie mit Photomasken verwendet wird.

Nach einer 5‑sekündigen Belichtung entsteht eine spiegelgeschriebene Struktur auf der Wafer‑Oberfläche. Damit können Muster in Größen von 3 µm bis 100 µm (Mikrometer) graviert werden.

Quelle: Nature Photonics

Dieses Deep‑UV‑Micro‑LED‑Display‑Chip integriert die Ultraviolett‑Lichtquelle mit dem Muster auf der Maske. Es liefert eine ausreichende Bestrahlungsdosis für die Photoresist‑Belichtung in kurzer Zeit und eröffnet einen neuen Weg für die Halbleiterfertigung.” Pr. KWOK Hoi-Sing – Founding Director of the State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies at HKUST

Weitere Fortschritte

Noch bessere UVC‑LEDs

Das Forschungsteam, das für diese Leistung verantwortlich ist, glaubt, dass sie die Leistung ihrer Micro‑LEDs noch weiter über den 320 × 140‑Prototyp hinaus steigern können.

Sie sehen einen Weg, 1k-, 2k- oder sogar 8k‑High‑Resolution‑Deep‑UV‑Micro‑LED‑Display‑Bildschirme zu entwickeln, die Muster auf Silizium noch präziser gravieren würden.

Im Vergleich zu anderen repräsentativen Arbeiten zeichnet sich unsere Innovation durch kleinere Gerätgröße, niedrigere Ansteuerungsspannung, höhere externe Quantenwirkungsgrad, höhere optische Leistungsdichte, größere Array‑Größe und höhere Display‑Auflösung aus.” Dr. FENG Feng – Postdoctoral research fellow at HKUST

Zusätzliche Unterstützungssysteme

Obwohl UVC‑Micro‑LEDs nicht die gleiche Anordnung von Linsen benötigen wie die klassische Lithografie mit Photomasken, ist die Auflösung der Forscher noch nicht ausreichend.

Daher könnten zugehörige Linsen‑ und Fokussierungssysteme, die außerhalb des Fachgebiets dieser Forscher in der LED‑Herstellung liegen, die maskenlose Fotolithografie erheblich verbessern. Dies sollte jedoch keine große technische Schwierigkeit für die Halbleiterindustrie darstellen, da diese Technologien bekannt und weit verbreitet sind.

Daher könnten Unternehmen, die bereits DUV‑Maschinen herstellen, leicht ein neues Design entwickeln, das maskenlose UVC‑Micro‑LEDs und Fokussierungslinsen anstelle des traditionellen Designs mit teuren Photomasken verwendet.

Investitionen in die Halbleiter‑Lithografie

Da maskenlose Lithografie ein immer häufiger werdender Teil der Halbleiterindustrie wird, wird dieser technologische Wandel voraussichtlich einige Gewinner und einige Verlierer hervorbringen.

Unternehmen, die sich auf die Produktion von Photomasken spezialisiert haben, wie Photronics, Inc. (PLAB ) werden voraussichtlich leiden.

Auf der anderen Seite würden Unternehmen, die DUV‑Lithografiemaschinen produzieren, von einem neuen maskenlosen Design profitieren. Durch den Wegfall eines teuren Verbrauchsmaterials würde der gesamte Lithografie‑Vorgang günstiger werden. Günstigere Halbleiter würden das Verkaufsvolumen steigern und die Nachfrage nach DUV‑Maschinen erhöhen.

Sie können in halbleiterbezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und Sie finden hier auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, sowie vielen anderen Ländern.

Oder, wenn Sie einen stärker diversifizierten Ansatz bevorzugen, können Sie in halbleiterbezogene ETFs investieren, wie den iShares Semiconductor ETF (SOXX), den VanEck Semiconductor ETF (SMH) oder den Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Sie können auch mehr über die Lieferkette für Halbleiter‑Fertigungsgeräte und wichtige Unternehmen in „Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support“ erfahren.

Halbleiter‑Lithografie‑Unternehmen

ASML‑Übersicht

Der weltweit größte Halbleiterausrüstungsanbieter nach Marktkapitalisierung, das niederländische Unternehmen ASML, ist zudem führend in diesem Bereich und besitzt ein Quasi‑Monopol auf eine Schlüsseltechnologie namens EUV‑Lithografie (Extreme UltraViolet).

EUV ermöglicht ultra‑kleine Nodes bis zu 7 nm, oder sogar 5 nm und 3 nm. Diese fortgeschrittenen Node‑Stufen gelten oft als notwendig für Anwendungen wie KI, maschinelles Lernen, 5G, AR/VR und fortgeschrittene Cloud‑Dienste.

EUV steht derzeit im Zentrum der Spannungen und Handelskriege zwischen China und den USA. Im Sommer 2022 verbot die USA den Export von EUV‑Maschinen nach China. Darauf folgten Bemühungen von Huawei, eigene EUV‑Lösungen zu entwickeln, mit einem Patent, das im Dezember 2022 eingereicht wurde.

Durch das faktische Monopol auf EUV außerhalb Chinas ist ASML ein sehr prominenter Hersteller von Chip‑Ausrüstung, ein Status, der durch den US‑Druck, den Export der Technologie an den Hauptkonkurrenten zu beschränken, noch verstärkt wird. Infolgedessen ist ASML ein entscheidender Lieferant für alle Chip‑Hersteller, die die fortschrittlichsten Chips bauen wollen.

EUV ist der Nachfolger der vorherigen Technologie, die ebenfalls von ASML verkauft wird, die DUV‑Lithografie (Deep UltraViolet).

Quelle: ASML

EUV‑Systeme machen nur einen Bruchteil der verkauften Maschinen aus, jedoch zu einem deutlich höheren Preis, sodass ein großer Teil der Einnahmen und Gewinne daraus stammt. DUV‑Systeme (ArFi, ArF & KrF) stellen weiterhin den Großteil des Unternehmensumsatzes (61 %) dar.

Quelle: ASML

ASML ist nicht der einzige Hersteller von DUV‑Maschinen; Konkurrenten wie Canon oder Nikon sind ebenfalls aktiv, aber ASML ist bei weitem das am stärksten „fokussierte“ Unternehmen, während seine japanischen Konkurrenten Konglomerate mit zahlreichen anderen Aktivitäten sind.

DUV‑Maschinen & China

Der chinesische Wettbewerb im DUV‑Bereich wächst, da die chinesische Regierung heimische Lieferanten von Halbleiterausrüstung fördert.

Angesichts der Tatsache, dass verbesserte UVC‑Micro‑LEDs, die neueste Innovation zur Realisierung maskenloser DUV‑Technologie, von Forschern aus Hongkong und Shenzhen stammen, sollten Investoren dies berücksichtigen, zumal China 47 % von ASMLs Einnahmen ausmacht.

Der Export von DUV‑Maschinen nach China wurde ebenfalls von US‑Sanktionen betroffen, doch stieß dies auf erheblichen Gegenwind von den Niederlanden, Korea und sogar der taiwanesischen Regierung.

Amsterdam hat entschieden, dass ASML künftig die erforderliche Lizenz für den Export ihrer DUV‑Maschinen an Mitglieder der US‑Bureau of Industry Standards’ Entity List von der niederländischen Regierung und nicht von der US‑Regierung einholen wird.

Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die von den USA vorgeschriebenen Exportkontrollen künftig unter die Lizenzbehörde der Niederlande fallen und nicht mehr unter die der Vereinigten Staaten.

The Diplomat

Fazit zu ASML

Trotz möglicher, China‑bezogener Risiken bleibt ASML (fast) der unangefochtene Marktführer der Lithografie‑Industrie und arbeitet bereits an der nächsten Stufe der EUV‑Technologie: High‑NA‑EUV‑Systeme (High Numerical Aperture).

High‑NA‑EUV‑Maschinen werden derzeit eingesetzt: bei Intel im Dezember 2023, bei TSMC ein Jahr später und bei Samsung bis 2025.

ASML hat im Sommer 2024 auch seine Pläne für das, was als Nächstes kommt: die „Hyper‑NA“-EUV‑Technologie vorgestellt. Dieses Konzept, das sich noch in frühen Forschungsphasen befindet, wird erst nach 2030 eingesetzt werden.

Quelle: Tech PowerUp

Insgesamt machen ASMLs Fortschritte in EUV und die Expertise in DUV das Unternehmen zu einem wahrscheinlichen Gewinner in jedem Technologiekonflikt in Bereichen, die zu seiner Expertise gehören, wie maskenlose DUV.

Es könnte jedoch eine Phase der Instabilität und erneuten Konkurrenz mit chinesischen Herstellern erleben, die voraussichtlich Marktanteile der nationalen Halbleiterproduktion übernehmen werden, insbesondere wenn sie von der chinesischen Regierung unterstützt werden oder aufgrund von von den USA angeordneten Sanktionen im Zusammenhang mit ASMLs Verkäufen nach China.

Studienreferenz:

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