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

Lithographie, le cœur de la fabrication de semi-conducteurs

Producing semiconductors has become one of the most profitable and strategic industrial activities in the 21^e century, with companies like Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), or TSMC (TSM ) (suivez les liens pour un rapport dédié sur chacune de ces entreprises) atteignant une capitalisation boursière de plusieurs milliards, voire plusieurs billions de dollars.

Presque toutes utilisent un processus appelé photolithographie. Comme son nom l’indique, il utilise des faisceaux lumineux très puissants pour graver les plaquettes de silicium et les transformer en puces informatiques et autres composants semi-conducteurs.

Cela nécessite des machines très spécialisées équipées de nombreuses lentilles ultra-précises, de moteurs et d’un système appelé « photomasque ».

Source: CopperPod IP

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

La plupart des puces sont fabriquées à l’aide de machines de lithographie DUV (Deep Ultra-Violet), qui utilisent des faisceaux UV puissants pour graver le silicium. Les puces plus avancées utilisent l’EUV (Extreme Ultra-Violet), qui emploie une lumière UV encore plus puissante. Pour l’instant, le fabricant de semi-conducteurs ASML (ASML ) détient un monopole sur l’EUV.

Les machines DUV et EUV sont toutes deux volumineuses, coûteuses et gourmandes en énergie.

Une autre option émerge avec la lithographie sans masque. Cette technologie pourrait avoir fait un bond gigantesque grâce aux tout premiers puces d’affichage micro-LED deep-UV inventées par des chercheurs chinois.

Travaillant à l’Université des Sciences et Technologies de Hong Kong et à la Southern University of Science and Technology à Shenzhen, ils ont publié leurs résultats dans Nature Photonics sous le titre « High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography¹ ».

Lithographie sans masque

Le principal avantage d’utiliser des photomasques pour la lithographie est qu’ils permettent à la machine DUV d’utiliser une grande quantité de lumière, puis de concentrer une partie de celle-ci dans le processus de gravure. Cela a toutefois entraîné une faible efficacité lumineuse, une densité de puissance optique insuffisante, et finalement une faible efficacité globale ainsi une consommation énergétique élevée.

Une alternative pourrait consister à utiliser une source lumineuse UV plus précise, comme des diodes électroluminescentes micro-LED deep-ultraviolet (UVC) en nitrure d’aluminium et de gallium. Cependant, développer des LED UVC avec une puissance suffisante a été un problème jusqu’à présent.

Cela signifie que la lithographie sans masque n’a été utilisée que pour des substrats à résolution plus faible, tels que les circuits imprimés, plutôt que pour des plaquettes de silicium de qualité puce.

La photolithographie sans masque réduirait drastiquement le coût de la fabrication de semi‑conducteurs et offrirait davantage d’options de personnalisation. Globalement, cette technologie rendrait tout produit électronique moins cher et plus facile à fabriquer.

Meilleures LED UVC

Un facteur clé de la sous‑performance des micro‑LED UVC est que d’importants écarts d’alignement lors des processus de fabrication des sous‑unités LED provoquent des problèmes lors de la construction d’affichages micro‑LED UVC grand format. Non seulement une LED spécifique peut ne pas être uniforme en interne, mais différentes LED fabriquées simultanément présenteront des caractéristiques différentes.

Source: Nature Photonics

Les chercheurs ont amélioré la méthode de fabrication pour réussir à construire une matrice uniforme de micro‑LED UVC 160 × 90. Cette matrice possède 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 cartes de circuits pour générer et projeter des motifs UV numériques.

Les systèmes ainsi obtenus pouvaient afficher n’importe quels motifs et dessins complexes en lumière UVC intense.

Source: Nature Photonics

En raison de la petite taille des LED, il n’est pas nécessaire d’utiliser les lentilles de démagnification complexes employées en photolithographie avec photomasques.

Après une exposition de 5 secondes, une structure gravée par miroir se développe à la surface de la plaquette. Cela permet de graver des motifs de tailles allant de 3 µm à 100 µm.

Source: Nature Photonics

Cette puce d’affichage micro‑LED deep‑UV intègre la source de lumière ultraviolette avec le motif sur le masque. Elle fournit une dose d’irradiation suffisante pour l’exposition du photo‑résist en un court laps de temps, créant ainsi une nouvelle voie pour la fabrication de semi‑conducteurs.

Pr. KWOK Hoi‑Sing – Directeur fondateur du Laboratoire d’État clé des affichages avancés et des technologies optoélectroniques à HKUST

Progrès supplémentaires

LED UVC encore meilleures

L’équipe de recherche responsable de cette avancée pense pouvoir pousser la performance de leurs micro‑LED encore plus loin que le prototype 320 × 140.

Ils envisagent de développer des écrans d’affichage micro‑LED deep‑ultraviolet haute résolution 1k, 2k, voire 8k, qui graveraient les motifs sur le silicium avec une précision encore plus grande.

“Comparé à d’autres travaux représentatifs, notre innovation présente une taille d’appareil plus petite, une tension de pilotage plus basse, une efficacité quantique externe plus élevée, une densité de puissance optique supérieure, une taille de matrice plus grande et une résolution d’affichage plus élevée.

Dr. FENG Feng – Chercheur postdoctoral à HKUST

Systèmes de support supplémentaires

Bien que les micro‑LED UVC ne nécessitent pas le même ensemble 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 mise au point associés, hors du champ d’expertise de ces chercheurs en fabrication de LED, pourraient améliorer considérablement la photolithographie sans masque. Cependant, cela ne devrait pas constituer une difficulté technique majeure pour l’industrie des semi‑conducteurs, car ces technologies sont connues et couramment utilisées.

Ainsi, les entreprises produisant déjà des machines DUV pourraient facilement créer un nouveau design utilisant des micro‑LED UVC sans masque et des lentilles de mise au point au lieu du design traditionnel nécessitant des photomasques coûteux.

Investir dans la lithographie des semi‑conducteurs

À mesure que la lithographie sans masque devient une partie de plus en plus courante de l’industrie des semi‑conducteurs, ce changement technologique entraînera probablement des gagnants et des perdants.

Les entreprises spécialisées dans la production de photomasques comme Photronics, Inc. (PLAB ) risquent de souffrir.

En revanche, les entreprises produisant des machines de lithographie DUV bénéficieraient d’un nouveau design sans masque. En éliminant un consommable coûteux, cela rendrait l’ensemble de l’opération de lithographie moins chère. Des semi‑conducteurs moins chers stimuleraient le volume des ventes, augmentant la demande pour les machines DUV.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux semi‑conducteurs via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Ou, si vous préférez une approche plus diversifiée, vous pouvez investir dans des ETF liés aux semi‑conducteurs tels que le iShares Semiconductor ETF (SOXX), le VanEck Semiconductor ETF (SMH), ou le Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Vous pouvez également en savoir plus sur la chaîne d’approvisionnement des équipements de fabrication de semi‑conducteurs et les entreprises clés dans « Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support ».

Entreprise de lithographie des semi‑conducteurs

Vue d’ensemble d’ASML

Le plus grand fournisseur mondial d’équipements pour semi‑conducteurs en termes de capitalisation boursière, le néerlandais ASML est également le leader du secteur, avec un quasi‑monopole sur une technologie clé appelée lithographie EUV (Extreme UltraViolet).

L’EUV permet 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, la réalité augmentée/virtuelle et les services cloud avancés.

L’EUV est actuellement au cœur des tensions et guerres commerciales entre la Chine et les États‑Unis. À l’été 2022, les États‑Unis ont interdit l’exportation de machines EUV vers la Chine. Cela a été suivi par les efforts de Huawei pour développer ses propres solutions EUV, avec un brevet déposé en décembre 2022.

En détenant un quasi‑monopole de l’EUV hors de Chine, ASML est un fabricant d’équipements pour puces très en vue, statut renforcé par la pression américaine visant à restreindre l’exportation de la technologie à son principal rival. En conséquence, ASML est un fournisseur crucial pour tous les fabricants de puces cherchant à produire 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, constituant ainsi 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 « centrée », tandis que ses concurrents japonais sont des conglomérats aux multiples activités.

Machines DUV & Chine

La concurrence chinoise se développe dans le domaine DUV, en raison de l’impulsion du gouvernement chinois en faveur de fournisseurs nationaux d’équipements pour semi‑conducteurs.

Étant donné que les micro‑LED UVC améliorées, la dernière innovation pour rendre le DUV sans masque plus réaliste, proviennent de chercheurs de Hong Kong et de Shenzhen, les investisseurs devraient en tenir compte, d’autant plus que la Chine représente 47 % des revenus d’ASML.

Les exportations de machines DUV vers la Chine ont également été soumises à des sanctions américaines, mais cela a suscité une forte opposition de la part des Pays‑Bas, coréens, et même du gouvernement taïwanais.

Amsterdam a décidé que, dorénavant, ASML devra obtenir la licence nécessaire pour exporter ses machines DUV aux membres figurant sur la liste des entités du Bureau américain des normes industrielles, auprès du gouvernement néerlandais plutôt que du gouvernement américain.

Cela signifie essentiellement que les contrôles à l’exportation imposés par les États‑Unis seront sous la compétence de délivrance de licences des administrateurs aux Pays‑Bas plutôt qu’aux États‑Unis.

The Diplomat

Conclusion sur ASML

Cependant, malgré les risques potentiels liés à la Chine, ASML reste le (presque) leader incontesté de l’industrie de la lithographie et progresse déjà vers le niveau suivant de la technologie EUV : les systèmes EUV à haute NA (High Numerical Aperture).

Les machines EUV à haute NA sont désormais déployées : chez Intel en décembre 2023, chez TSMC un an plus tard, et chez Samsung d’ici 2025.

ASML a également dévoilé à l’été 2024 ses plans pour la suite : la technologie EUV « Hyper‑NA ». Ce concept, encore à un stade de recherche précoce, ne serait déployé qu’après 2030.

Source: Tech PowerUp

Dans l’ensemble, les avancées d’ASML en EUV et son expertise en DUV en font un probable gagnant dans toute guerre technologique dans des domaines liés à son expertise, comme le DUV sans masque.

Il pourrait toutefois connaître une période d’instabilité et une concurrence renouvelée avec les fabricants chinois susceptibles de prendre des parts de marché de la production de semi‑conducteurs du pays, surtout si cela est soutenu par le gouvernement chinois ou en raison de sanctions imposées par les États‑Unis concernant les ventes d’ASML à la Chine.

Référence d’étude:

^{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}