Litografía sin máscara: Un cambio de juego para los fabricantes de chips

Litografía, el núcleo de la fabricación de semiconductores

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 ) ((siga los enlaces para un informe dedicado sobre cada una de estas empresas)) reaching market capitalization in billions if not several trillions of dollars.

Casi todas ellas utilizan un proceso llamado fotolitografía. Como indica el nombre, emplea haces de luz muy potentes para grabar obleas de silicio y convertirlas en chips informáticos y otros componentes semiconductores.

Esto requiere máquinas muy especializadas con abundantes lentes ultra‑precisas, motores y un sistema llamado “fotomáscara”.

Fuente: CopperPod IP

Las fotomáscaras están hechas de sustratos de cuarzo o vidrio recubiertos con una película opaca sobre la que se grava el patrón del dispositivo que se está fabricando. Esta película es esencialmente la plantilla para los chips que se grabarán en la oblea de silicio, aunque se miniaturiza a una escala mucho menor durante el proceso de grabado.

La mayoría de los chips se fabrican con máquinas de litografía DUV (Deep Ultra‑Violet), que utilizan haces UV potentes para grabar el silicio. Los chips más avanzados usan EUV (Extreme Ultra‑Violet), que emplea luz UV aún más poderosa. Por ahora, el fabricante de semiconductores ASML (ASML ) tiene un monopolio en EUV.

Tanto las máquinas DUV como las EUV son grandes, caras y consumen mucha energía.

Otra opción está emergiendo con la litografía sin máscara. Esta tecnología podría haber dado un salto gigante gracias a los primeros chips de pantalla microLED de ultra‑violeta profundo del mundo, inventados por investigadores chinos.

Trabajando en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong y en la Southern University of Science and Technology en Shenzhen, publicaron sus resultados en Nature Photonics bajo el título “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography¹”.

Litografía sin máscara

El punto principal de usar fotomáscaras para la litografía es que permite que la máquina DUV use mucha luz y luego enfoque parte de ella en el proceso de grabado. Esto, sin embargo, provocó una baja eficiencia lumínica, una densidad de potencia óptica insuficiente y, en última instancia, baja eficiencia y alto consumo energético.

Una alternativa podría ser usar una fuente de luz UV más precisa, como diodos emisores de luz micro‑LED de nitruro de aluminio y galio (UVC) de ultra‑violeta profundo. Sin embargo, desarrollar LEDs UVC con suficiente potencia de salida ha sido un problema hasta ahora.

Esto significa que la litografía sin máscara solo se ha utilizado para sustratos de menor resolución, como placas de circuito impreso, en lugar de obleas de silicio de calidad de chip.

La fotolitografía sin máscara reduciría drásticamente el costo de la fabricación de semiconductores y ofrecería más opciones de personalización. En conjunto, esta tecnología haría que cualquier dispositivo electrónico fuera más barato y más fácil de fabricar.

LEDs UVC mejorados

Un factor clave en el bajo rendimiento de los micro‑LEDs UVC es que los importantes huecos de alineación durante los procesos de fabricación de las sub‑unidades del LED causan problemas al intentar construir pantallas de micro‑LED UVC de gran formato. No solo puede que una luz LED específica no sea uniforme internamente, sino que diferentes LEDs fabricados al mismo tiempo mostrarán características distintas.

Fuente: Nature Photonics

Los investigadores mejoraron el método de fabricación para construir con éxito una matriz uniforme de micro‑LED UVC de 160 × 90. Esta matriz presenta un tamaño de píxel de 6 µm y un paso de 10 µm.

Fuente: Nature Photonics

Haciendo útiles los LEDs UVC

Los LEDs mejorados fueron luego integrados con placas de circuito para generar y proyectar patrones UV digitales.

Los sistemas resultantes podrían mostrar cualquier patrón o dibujo complejo en luz UVC intensa.

Fuente: Nature Photonics

Debido al pequeño tamaño de los LEDs, no es necesario usar las lentes de desmagnificación complejas empleadas en la fotolitografía con fotomáscaras.

Después de una exposición de 5 segundos, una estructura escrita por espejo se desarrolla en la superficie de la oblea. Esto podría grabar patrones con tamaños que van desde 3 µm hasta 100 µm (micrómetros).

Fuente: Nature Photonics

Este chip de pantalla microLED de ultra‑violeta profundo integra la fuente de luz ultravioleta con el patrón de la máscara. Proporciona una dosis de irradiación suficiente para la exposición de la fotoresina en poco tiempo, creando una nueva vía para la fabricación de semiconductores.

Prof. KWOK Hoi‑Sing – Director fundador del Laboratorio Estatal de Pantallas Avanzadas y Tecnologías de Optoelectrónica en HKUST

Avances adicionales

LEDs UVC aún mejores

El equipo de investigación responsable de este logro cree que pueden impulsar el rendimiento de sus micro‑LEDs aún más allá del prototipo 320 × 140.

Ven un camino para desarrollar pantallas de microLED de ultra‑violeta profundo de alta resolución 1k, 2k o incluso 8k, que grabarían patrones en silicio con aún mayor precisión.

“En comparación con otros trabajos representativos, nuestra innovación presenta un tamaño de dispositivo más pequeño, menor voltaje de conducción, mayor eficiencia cuántica externa, mayor densidad de potencia óptica, mayor tamaño de matriz y mayor resolución de pantalla.

Dr. FENG Feng – Investigador postdoctoral en HKUST

Sistemas de soporte extra

Aunque los micro‑LEDs UVC no requieren la misma cantidad de lentes que la litografía clásica con fotomáscaras, la resolución de los investigadores aún no es suficiente.

Por lo tanto, sistemas de lentes y enfoque relacionados, más allá del alcance de la experiencia de estos investigadores en fabricación de LEDs, podrían mejorar significativamente la fotolitografía sin máscara. Sin embargo, esto no debería ser una dificultad técnica mayor para la industria de semiconductores, ya que son tecnologías conocidas y de uso común.

Así, las empresas que ya producen máquinas DUV podrían crear fácilmente un nuevo diseño usando micro‑LEDs UVC sin máscara y lentes de enfoque en lugar del diseño tradicional que requiere fotomáscaras caras.

Invertir en litografía de semiconductores

A medida que la litografía sin máscara se convierta en una parte cada vez más común de la industria de semiconductores, este cambio tecnológico probablemente producirá algunos ganadores y algunos perdedores.

Empresas especializadas en la producción de fotomáscaras como Photronics, Inc. (PLAB ) probablemente sufran.

Por otro lado, las empresas que producen máquinas de litografía DUV se beneficiarían de un nuevo diseño sin máscara. Al eliminar un consumible costoso, haría que toda la operación de litografía sea más barata. Los semiconductores más económicos impulsarían el volumen de ventas, aumentando la demanda de máquinas DUV.

Puede invertir en empresas relacionadas con semiconductores a través de muchos corredores, y aquí puede encontrar, en securities.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.

O, si prefiere un enfoque más diversificado, puede invertir en ETFs relacionados con semiconductores como el iShares Semiconductor ETF (SOXX), el VanEck Semiconductor ETF (SMH), o el Global X Semiconductor ETF (SEMI).

También puede aprender más sobre la cadena de suministro de equipos de fabricación de semiconductores y las empresas clave en “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Empresa de litografía de semiconductores

ASML Holding N.V.

Visión general de ASML

El mayor proveedor mundial de equipos para semiconductores por capitalización de mercado, el holandés ASML es también el líder en el campo, con un cuasi‑monopolio sobre una tecnología clave llamada litografía EUV (Extreme UltraViolet).

EUV permite nodos ultra‑pequeños, hasta 7 nm, o incluso 5 nm y 3 nm. Estos niveles de nodo avanzados a menudo se consideran necesarios para aplicaciones como IA, aprendizaje automático, 5G, AR/VR y servicios avanzados en la nube.

EUV está actualmente en el centro de las tensiones y guerras comerciales entre China y EE. UU. En el verano de 2022, EE. UU. prohibieron la exportación de máquinas EUV a China. Esto fue seguido por esfuerzos de Huawei para desarrollar sus propias soluciones EUV, con una patente depositada en diciembre de 2022.

Al tener un monopolio de facto sobre EUV fuera de China, ASML es un fabricante de equipos de chips muy prominente, una posición acentuada por la presión estadounidense para restringir la exportación de la tecnología a su principal rival. Como resultado, ASML es un proveedor crucial para todos los fabricantes de chips que buscan construir los chips más avanzados.

EUV es el sucesor de la tecnología anterior, también vendida por ASML, la litografía DUV (Deep UltraViolet).

Fuente: ASML

Los sistemas EUV constituyen solo una fracción de las máquinas vendidas, pero a un precio mucho más alto, representando una gran parte de los ingresos y beneficios. Aún así, los sistemas DUV (ArFi, ArF, & KrF) representan la mayoría de las ventas de la compañía (61%).

Fuente: ASML

ASML no es el único fabricante de máquinas DUV, con competidores como Canon o Nikon también activos, pero es con mucho la empresa más “enfocada”, mientras que sus competidores japoneses son conglomerados con múltiples actividades.

Máquinas DUV y China

La competencia china está creciendo en DUV, debido al impulso del gobierno chino para proveedores domésticos de equipos de semiconductores.

Considerando que los micro‑LEDs UVC mejorados, la última innovación para hacer el DUV sin máscara más realista, provienen de investigadores de Hong Kong y Shenzhen, esto es algo que los inversores deben tener en cuenta, especialmente porque China representa el 47 % de los ingresos de ASML.

Las exportaciones de máquinas DUV a China también han sido objeto de sanciones estadounidenses, pero estas han recibido una importante resistencia por parte de los gobiernos holandés, coreano y hasta taiwanéss.

Ámsterdam ha dictado que, a partir de ahora, ASML obtendrá la licencia necesaria para exportar sus máquinas DUV a miembros bajo la Lista de Entidades de la Oficina de Industria y Seguridad de EE. UU. del gobierno holandés en lugar del gobierno estadounidense.

Esto esencialmente significa que los controles de exportación mandatados por EE. UU. estarán bajo la supervisión de los administradores en los Países Bajos en lugar de los Estados Unidos.

The Diplomat

Conclusión sobre ASML

Aun así, a pesar de los posibles riesgos relacionados con China, ASML es el líder (casi) incontestado de la industria de la litografía y ya está avanzando al siguiente nivel de la tecnología EUV: sistemas EUV de alta NA (Alta Apertura Numérica).

Las máquinas EUV de alta NA ya se están desplegando: a Intel en diciembre de 2023, a TSMC un año después y a Samsung para 2025.

ASML también reveló en el verano de 2024 sus planes para lo que viene después: la tecnología EUV “Hyper‑NA”. Este concepto, aún en etapas tempranas de investigación, no se desplegaría hasta después de 2030.

Fuente: Tech PowerUp

En conjunto, los avances de ASML en EUV y su experiencia en DUV lo convierten en un probable ganador en cualquier guerra tecnológica en campos afines a su experiencia, como el DUV sin máscara.

Sin embargo, podría experimentar un periodo de inestabilidad y una renovada competencia con fabricantes chinos que probablemente capturen cuotas de mercado de la producción de semiconductores del país, especialmente si son ayudados por el gobierno chino o por sanciones ordenadas por EE. UU. respecto a las ventas de ASML a China.

Referencia del estudio:

^{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}