Lithographie sans masque : Un changement de donne pour les fabricants de puces

La lithographie, au cœur de la fabrication des semi-conducteurs

La production de semi-conducteurs est devenue l'une des activités industrielles les plus rentables et les plus stratégiques du 21e siècle.^st siècle, avec des entreprises telles que Nvidia (NVDA -1.75%), Intel (INTC +3.65%)ou TSMC (TSM -0.14%) (suivre les liens pour obtenir un rapport spécifique sur chacune de ces entreprises) atteignant une capitalisation boursière de plusieurs milliards, voire de plusieurs milliers de milliards de dollars.

Presque tous utilisent un procédé appelé photolithographie. Comme son nom l'indique, ce procédé utilise des faisceaux lumineux très puissants pour graver des tranches de silicium et les transformer en puces informatiques et autres composants semi-conducteurs.

Cela nécessite des machines très spécialisées dotées de nombreuses lentilles ultra-précises, de moteurs et d'un système appelé "photomasque".

Source : CopperPod IP

Les photomasques sont constitués de substrats de quartz ou de verre recouverts d'un film opaque sur lequel est gravé le motif du dispositif à fabriquer. Ce film est essentiellement le modèle des puces qui seront gravées sur la plaquette de silicium, bien qu'il soit miniaturisé à une échelle beaucoup plus petite au cours du processus de gravure.

La plupart des puces sont fabriquées à l'aide de machines de lithographie DUV (Deep Ultra-Violet), qui utilisent de puissants rayons UV pour graver le silicium. Les puces plus perfectionnées utilisent l'EUV (Extreme Ultra-Violet), qui fait appel à des rayons UV encore plus puissants. Pour l'instant, le fabricant de semi-conducteurs ASML (ASML +1.32%) a le monopole de la technologie EUV.

Les machines DUV et EUV sont grandes, coûteuses et gourmandes en énergie.

Une autre option se dessine avec la lithographie sans masque. Cette technologie pourrait avoir fait un bond en avant grâce aux premières puces d'affichage microLED à UV profond inventées par des chercheurs chinois.

Travaillant à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong et à l'Université des sciences et technologies du Sud à Shenzhen, ils ont publié leurs résultats dans Nature Photonics sous le titre "Diodes électroluminescentes de grande puissance en AlGaN dans l'ultraviolet profond pour la photolithographie sans masque¹".

Lithographie sans masque

L'intérêt principal de l'utilisation de masques photographiques pour la lithographie est qu'elle permet à la machine DUV d'utiliser une grande quantité de lumière et d'en concentrer une partie dans le processus de gravure. Toutefois, cela a entraîné une faible efficacité lumineuse, une densité de puissance optique insuffisante et, en fin de compte, une faible efficacité et une forte consommation d'énergie.

Une autre solution consisterait à utiliser une source de lumière UV plus précise, comme les microdiodes électroluminescentes (micro-LED) au nitrure de gallium d'aluminium dans l'ultraviolet profond (UVC). Toutefois, la mise au point de diodes UVC d'une puissance suffisante a posé problème jusqu'à présent.

Cela signifie que la lithographie sans masque n'a été utilisée que pour les substrats à faible résolution, tels que les cartes de circuits imprimés, au lieu des plaquettes de silicium de qualité supérieure.

La photolithographie sans masque réduirait considérablement le coût de fabrication des semi-conducteurs et offrirait davantage d'options de personnalisation. Globalement, cette technologie rendrait tout ce qui est électronique moins cher et plus facile à fabriquer.

De meilleures LED UVC

L'un des facteurs clés de la sous-performance des micro-LED UVC est que les écarts d'alignement substantiels au cours des processus de fabrication des sous-unités LED posent des problèmes lors de la construction d'écrans micro-LED UVC de grand format. Non seulement une lumière LED spécifique peut ne pas être uniforme à l'intérieur, mais différentes LED fabriquées en même temps présenteront des caractéristiques différentes.

Source : Nature Photonics

Les chercheurs ont amélioré la méthode de fabrication pour réussir à construire un réseau de micro-LED UVC uniforme de 160 × 90. Ce réseau présente une taille de pixel de 6 μm et un pas de 10 μm.

Source : Nature Photonics

Rendre les LED UVC utiles

Les LED améliorées ont ensuite été intégrées à des circuits imprimés pour générer et projeter des motifs UV numériques.

Les systèmes obtenus peuvent afficher n'importe quel motif ou dessin complexe sous une lumière UVC intense.

Source : Nature Photonics

En raison de la petite taille des DEL, il n'est pas nécessaire d'utiliser les lentilles de démagnétisation complexes utilisées en photolithographie à l'aide de masques photographiques.

Après une exposition de 5 secondes, une structure écrite en miroir se développe sur la surface de la plaquette. Celle-ci pourrait graver des motifs dans des tailles allant de 3 μm à 100 μm (micromètres).

Source : Nature Photonics

Cette puce d'affichage microLED à UV profond intègre la source de lumière ultraviolette avec le motif sur le masque. Elle fournit une dose d'irradiation suffisante pour l'exposition de la résine photosensible en peu de temps, créant ainsi une nouvelle voie pour la fabrication des semi-conducteurs."

Pr. KWOK Hoi-Sing - Directeur fondateur du State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies à la HKUST

Progrès ultérieurs

Des LED UVC encore plus performantes

L'équipe de recherche à l'origine de cette réalisation pense pouvoir pousser les performances de ses micro-LED encore plus loin que le prototype 320 × 140.

Ils entrevoient la possibilité de développer des écrans microLED à haute résolution (1k, 2k, voire 8k) dans l'ultraviolet profond, qui permettraient de graver des motifs sur le silicium avec encore plus de précision.

"Par rapport à d'autres travaux représentatifs, notre innovation se caractérise par une taille de dispositif plus petite, une tension d'alimentation plus faible, une efficacité quantique externe plus élevée, une densité de puissance optique plus élevée, une taille de réseau plus grande et une résolution d'affichage plus élevée.

Dr. FENG Feng - Chercheur postdoctoral à HKUST

Systèmes de soutien supplémentaires

Bien que les microLEDs UVC ne nécessitent pas le même réseau de lentilles que la lithographie classique utilisant des photomasques, la résolution des chercheurs n'est pas encore suffisante.

Ainsi, des systèmes de lentilles et de focalisation connexes, qui dépassent le champ d'expertise de ces chercheurs en matière de fabrication de DEL, pourraient améliorer de manière significative la photolithographie sans masque. Toutefois, cela ne devrait pas constituer une difficulté technique majeure pour l'industrie des semi-conducteurs, car il s'agit d'une technologie connue et couramment utilisée.

Ainsi, les entreprises qui produisent déjà des machines DUV pourraient facilement créer un nouveau modèle utilisant des microLED UVC sans masque et des lentilles de focalisation au lieu du modèle traditionnel nécessitant des photomasques coûteux.

Investir dans la lithographie des semi-conducteurs

La lithographie sans masque devenant un élément de plus en plus courant de l'industrie des semi-conducteurs, ce changement technologique fera probablement des gagnants et des perdants.

Les entreprises spécialisées dans la production de masques photographiques, comme Photronics, Inc. (PLAB +2.83%) sont susceptibles d'en souffrir.

D'autre part, les entreprises produisant des machines de lithographie DUV bénéficieraient d'une nouvelle conception sans masque. En supprimant un consommable coûteux, l'ensemble de l'opération de lithographie deviendrait moins cher. Des semi-conducteurs moins chers stimuleraient le volume des ventes, ce qui augmenterait la demande de machines DUV.

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Vous pouvez également en savoir plus sur la chaîne d'approvisionnement en équipements de fabrication de semi-conducteurs et sur les principales entreprises dans "Les 10 premiers titres d'équipements de semi-conducteurs pour le soutien à la fabrication".

Société de lithographie de semi-conducteurs

ASML Holding N.V.

Vue d'ensemble d'ASML

Premier fournisseur mondial d'équipements pour semi-conducteurs en termes de capitalisation boursière, la société néerlandaise ASML est également le leader dans ce domaine, avec un quasi-monopole sur le marché de la fabrication de semi-conducteurs. une technologie clé appelée lithographie EUV (Extreme UltraViolet).

L'EUV permet d'obtenir des nœuds ultra-petits, jusqu'à 7 nm, voire 5 nm et 3 nm. Ces niveaux de nœuds avancés sont souvent considérés comme nécessaires pour des applications telles que l'IA, l'apprentissage automatique, la 5G, l'AR/VR et les services cloud avancés.

La technologie EUV est actuellement au cœur des tensions et des guerres commerciales entre la Chine et les États-Unis. Au cours de l'été 2022, les États-Unis ont interdit l'exportation de machines EUV vers la Chine.. Huawei s'est ensuite efforcé de développer ses propres solutions EUV, avec un brevet déposé en décembre 2022.

En détenant un monopole de fait sur l'EUV à partir de la Chine, ASML est un fabricant d'équipements pour puces très important, un statut renforcé par les pressions exercées par les États-Unis pour restreindre l'exportation de la technologie à son principal rival. Par conséquent, ASML est un fournisseur essentiel pour tous les fabricants de puces qui cherchent à construire les puces les plus avancées.

L'EUV est le successeur de la technologie précédente, également vendue par ASML, la lithographie DUV (Deep UltraViolet).

Source : ASML

Les systèmes EUV ne représentent qu'une fraction des machines vendues, mais à un prix beaucoup plus élevé, donc une grande partie des revenus et des bénéfices. Cependant, les systèmes DUV (ArFi, ArF et KrF) représentent la majorité des ventes de l'entreprise (61%).

Source : ASML

ASML n'est pas le seul fabricant de machines DUV, des concurrents comme Canon ou Nikon étant également actifs, mais c'est de loin l'entreprise la plus "ciblée", alors que ses concurrents japonais sont des conglomérats ayant de multiples autres activités.

Machines DUV & Chine

La concurrence chinoise s'accroît dans le domaine du DUV, en raison des efforts déployés par le gouvernement chinois pour encourager les fournisseurs nationaux d'équipements de semi-conducteurs.

Si l'on considère que les microLEDs UVC améliorées, la dernière innovation pour rendre le DUV sans masque plus réaliste, proviennent des chercheurs de Hong Kong et de Shenzhen, les investisseurs devraient en tenir compte, d'autant plus que la Chine représente 47% du chiffre d'affaires d'ASML.

Les exportations de machines DUV vers la Chine ont également fait l'objet de sanctions américaines, mais ces mesures ont suscité une forte réticence du néerlandais, coréen et même taïwanaiss.

Amsterdam a décidé que dorénavant ASML obtiendrait du gouvernement néerlandais, et non plus du gouvernement américain, la licence nécessaire à l'exportation de ses machines DUV vers les membres figurant sur la liste des entités du Bureau of Industry Standards des États-Unis (U.S. Bureau of Industry Standards).

Cela signifie essentiellement que les contrôles des exportations imposés par les États-Unis seront confiés à des administrateurs aux Pays-Bas et non plus aux États-Unis.

Le diplomate

Conclusion A propos d'ASML

Malgré les risques potentiels liés à la Chine, ASML est le leader (presque) incontesté de l'industrie de la lithographie et passe déjà au niveau suivant de la technologie EUV : les systèmes EUV à haute ouverture numérique (High Numerical Aperture).

Les machines EUV à haute concentration sont en cours de déploiement : Intel en décembre 2023, TSMC un an plus tard et Samsung d'ici 2025.

ASML a également dévoilé à l'été 2024 ses projets pour l'avenir : "La technologie EUV "Hyper-NA". Ce concept, qui en est encore aux premiers stades de la recherche, ne serait pas déployé avant 2030.

Source : Tech PowerUp

Dans l'ensemble, les avancées d'ASML dans le domaine de l'EUV et son expertise en matière de DUV en font un vainqueur probable de toute guerre technologique dans des domaines afférents à son expertise, tels que le DUV sans masque.

Elle pourrait toutefois connaître une période d'instabilité et de concurrence renouvelée avec les fabricants chinois susceptibles de prendre des parts de marché dans la production de semi-conducteurs du pays, surtout s'ils sont aidés par le gouvernement chinois ou en raison des sanctions imposées par les États-Unis concernant les ventes d'ASML à la Chine.

Référence de l'étude :

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al (2024). Écrans à diodes électroluminescentes haute puissance AlGaN dans l'ultraviolet profond. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}