Litografia senza maschera: una svolta per i produttori di chip

Litografia, il cuore della produzione di semiconduttori

La produzione di semiconduttori è diventata una delle attività industriali più redditizie e strategiche del 21° secolo.^st secolo, con aziende come Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), o TSMC (TSM ) (segui i link per un report dedicato a ciascuna di queste aziende) raggiungendo una capitalizzazione di mercato di miliardi se non di diverse migliaia di miliardi di dollari.

Quasi tutti usano un processo chiamato fotolitografia. Come indica il nome, usa fasci di luce molto potenti per incidere wafer di silicio e trasformarli in chip per computer e altri componenti semiconduttori.

Ciò richiede macchine altamente specializzate, dotate di numerose lenti ultra-precise, motori e un sistema chiamato "fotomaschera".

Fonte: Indirizzo IP CopperPod

Le fotomaschere sono realizzate in substrati di quarzo o vetro rivestiti con una pellicola opaca su cui viene inciso il modello del dispositivo in fase di fabbricazione. Questa pellicola è essenzialmente il modello per i chip che verranno incisi sul wafer di silicio, sebbene venga miniaturizzata a una scala molto più piccola durante il processo di incisione.

La maggior parte dei chip viene realizzata utilizzando macchine litografiche DUV (Deep Ultra-Violet), che utilizzano potenti raggi UV per incidere il silicio. I chip più avanzati utilizzano EUV (Extreme Ultra-Violet), che utilizza una luce UV ancora più potente. Per ora, il produttore di semiconduttori ASML (ASML ) ha il monopolio dell'EUV.

Sia le macchine DUV che quelle EUV sono grandi, costose e consumano molta energia.

Un'altra opzione sta emergendo con la litografia senza maschera. Questa tecnologia potrebbe aver fatto un enorme balzo in avanti grazie ai primi chip per display microLED a raggi UV profondi al mondo, inventati da ricercatori cinesi.

Lavorando presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong e la Southern University of Science and Technology di Shenzhen, hanno pubblicato i loro risultati su Nature Photonics con il titolo "Display a diodi micro-emettitori di luce AlGaN ad alta potenza nell'ultravioletto profondo per fotolitografia senza maschera¹".

Litografia senza maschera

Il punto principale dell'uso di fotomaschere per la litografia è che consente alla macchina DUV di usare molta luce e poi di concentrarne una parte nel processo di incisione. Ciò, tuttavia, ha portato a una bassa efficienza della luce, a una densità di potenza ottica insufficiente e, in definitiva, a una bassa efficienza e a un elevato consumo energetico.

Un'alternativa potrebbe essere l'utilizzo di una sorgente di luce UV più precisa, come i micro-diodi a emissione di luce (micro-LED) in nitruro di gallio e alluminio-ultravioletto profondo (UVC). Tuttavia, sviluppare LED UVC con potenza di uscita sufficiente è stato un problema fino ad ora.

Ciò significa che la litografia senza maschera è stata utilizzata solo per substrati a bassa risoluzione, come i circuiti stampati, anziché per wafer di silicio di qualità chip.

La fotolitografia senza maschera ridurrebbe drasticamente i costi di produzione dei semiconduttori e offrirebbe più opzioni di personalizzazione. Nel complesso, questa tecnologia renderebbe qualsiasi cosa elettronica più economica e facile da produrre.

Migliori LED UVC

Un fattore chiave nella scarsa prestazione dei micro-LED UVC è che gli spazi di allineamento sostanziali durante i processi di fabbricazione delle sotto-unità LED causano problemi quando si cerca di costruire display micro-LED UVC di grande formato. Non solo una luce LED specifica potrebbe non essere uniforme internamente, ma diversi LED prodotti contemporaneamente mostreranno caratteristiche diverse.

Fonte: Nature Photonics

I ricercatori hanno migliorato il metodo di fabbricazione per costruire con successo un array di micro-LED UVC 160 × 90 uniforme. Questo array presenta una dimensione dei pixel di 6 μm e un pitch di 10 μm

Fonte: Nature Photonics

Rendere utili i LED UVC

I LED migliorati sono stati poi integrati nei circuiti stampati per generare e proiettare modelli UV digitali.

I sistemi risultanti potrebbero visualizzare qualsiasi schema e disegno complesso sotto un'intensa luce UVC.

Fonte: Nature Photonics

Grazie alle dimensioni ridotte dei LED, non sono necessarie le complesse lenti di demagnificazione utilizzate nella fotolitografia con fotomaschere.

Dopo un'esposizione di 5 secondi, sulla superficie del wafer si sviluppa una struttura scritta a specchio. Questa potrebbe incidere motivi di dimensioni che vanno da 3 μm a 100 μm (micrometri).

Fonte: Nature Photonics

Questo chip di visualizzazione microLED deep-UV integra la sorgente di luce ultravioletta con il pattern sulla maschera. Fornisce una dose di irradiazione sufficiente per l'esposizione al fotoresist in poco tempo, creando un nuovo percorso per la produzione di semiconduttori."

Pr. KWOK Hoi-Sing – Direttore fondatore del Laboratorio statale chiave di display avanzati e tecnologie optoelettroniche presso HKUST

Ulteriori progressi

LED UVC ancora migliori

Il team di ricerca responsabile di questo risultato ritiene di poter spingere le prestazioni dei propri micro-LED ancora oltre il prototipo 320 × 140.

Vedono la possibilità di sviluppare schermi microLED ultravioletti profondi ad alta risoluzione da 1k, 2k o persino 8k, che potrebbero incidere i motivi sul silicio con una precisione ancora maggiore.

"Rispetto ad altri lavori rappresentativi, la nostra innovazione presenta dimensioni del dispositivo più piccole, tensione di pilotaggio inferiore, maggiore efficienza quantistica esterna, maggiore densità di potenza ottica, dimensioni dell'array più grandi e maggiore risoluzione del display.

Dr. FENG Feng – Ricercatore post-dottorato presso HKUST

Sistemi di supporto extra

Sebbene i microLED UVC non richiedano la stessa gamma di lenti della litografia classica che utilizza fotomaschere, la risoluzione dei ricercatori non è ancora sufficiente.

Quindi, sistemi di lenti e messa a fuoco correlati, che vanno oltre l'ambito di competenza di questi ricercatori nella produzione di LED, potrebbero migliorare significativamente la fotolitografia senza maschera. Tuttavia, questo non dovrebbe rappresentare una difficoltà tecnica importante per l'industria dei semiconduttori, poiché si tratta di tecnologie note e comunemente utilizzate.

Pertanto, le aziende che già producono macchine DUV potrebbero facilmente creare un nuovo design utilizzando microLED UVC senza maschera e lenti di focalizzazione al posto del design tradizionale che richiede costose fotomaschere.

Investire nella litografia dei semiconduttori

Poiché la litografia senza maschera sta diventando sempre più diffusa nel settore dei semiconduttori, è probabile che questo cambiamento tecnologico determinerà alcuni vincitori e alcuni vinti.

Aziende specializzate nella produzione di fotomaschere come Photronics, Inc. (PLAB ) sono suscettibili di soffrire.

D'altro canto, le aziende che producono macchine litografiche DUV trarrebbero vantaggio da un nuovo design senza maschera. Rimuovendo un costoso materiale di consumo, renderebbe l'intera operazione di litografia più economica. Semiconduttori più economici aumenterebbero il volume delle vendite, aumentando la domanda di macchine DUV.

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Puoi anche saperne di più sulla catena di fornitura delle apparecchiature di produzione di semiconduttori e sulle aziende chiave in "I 10 principali titoli di apparecchiature per semiconduttori per il supporto alla produzione".

Società di litografia di semiconduttori

ASML Holding NV

Panoramica ASML

Il più grande fornitore di apparecchiature per semiconduttori al mondo per capitalizzazione di mercato, l'olandese ASML è anche leader nel settore, con un quasi monopolio su una tecnologia chiave chiamata litografia EUV (Extreme UltraViolet).

L'EUV consente nodi ultra-piccoli, fino a 7 nm, o anche 5 nm e 3 nm. Questi livelli di nodo avanzati sono spesso considerati necessari per applicazioni come AI, machine learning, 5G, AR/VR e servizi cloud avanzati.

L’EUV è attualmente al centro delle tensioni e delle guerre commerciali tra Cina e Stati Uniti. Nell’estate del 2022 gli Stati Uniti hanno vietato l’esportazione di macchine EUV in Cina. A ciò sono seguiti gli sforzi di Huawei per sviluppare le proprie soluzioni EUV, con brevetto depositato a dicembre 2022.

Avendo un monopolio di fatto sull’EUV fuori dalla Cina, ASML è un importante produttore di apparecchiature per chip, uno status rafforzato dalla pressione degli Stati Uniti per limitare l’esportazione della tecnologia al suo principale rivale. Di conseguenza, ASML è un fornitore fondamentale per tutti i produttori di chip che desiderano costruire i chip più avanzati.

EUV è il successore della tecnologia precedente, venduta anche da ASML, la litografia DUV (Deep UltraViolet).

Fonte: ASML

I sistemi EUV costituiscono solo una frazione delle macchine vendute, ma a un prezzo molto più alto, quindi una gran parte dei ricavi e dei profitti. Tuttavia, i sistemi DUV (ArFi, ArF e KrF) rappresentano la maggior parte delle vendite aziendali (61%).

Fonte: ASML

ASML non è l'unico produttore di macchine DUV, con concorrenti come Canon o Nikon attivi anche loro, ma è di gran lunga l'azienda più "focalizzata", mentre i suoi concorrenti giapponesi sono conglomerati con molteplici altre attività.

Macchine DUV e Cina

La concorrenza cinese nel settore DUV sta aumentando, a causa della pressione del governo cinese nei confronti dei fornitori nazionali di apparecchiature per semiconduttori.

Considerando che i microLED UVC migliorati, l'ultima innovazione nel rendere più realistici i DUV senza maschera, provengono dai ricercatori di Hong Kong e Shenzhen, questo è un aspetto che gli investitori dovrebbero tenere in considerazione, soprattutto perché la Cina rappresenta il 47% dei ricavi dell'ASML.

Anche le esportazioni di macchine DUV verso la Cina sono state sottoposte a sanzioni da parte degli Stati Uniti, ma questi hanno incontrato una forte resistenza dall'olandese, Governo coreano e persino taiwaneses.

Amsterdam ha stabilito che d'ora in poi ASML acquisirà la licenza necessaria per esportare le proprie macchine DUV ai membri iscritti nell'elenco delle entità dell'US Bureau of Industry Standards dal governo olandese anziché da quello statunitense.

Ciò significa in sostanza che i controlli sulle esportazioni imposti dagli Stati Uniti saranno di competenza degli amministratori nei Paesi Bassi e non degli Stati Uniti, che dovranno rilasciare le licenze.

Il Diplomat

Conclusione su ASML

Tuttavia, nonostante i potenziali rischi legati alla Cina, ASML è il leader (quasi) incontrastato del settore della litografia e sta già passando al livello successivo della tecnologia EUV: i sistemi EUV ad alta NA (alta apertura numerica).

Le macchine EUV ad alta capacità NA sono già in fase di distribuzione: a Intel nel dicembre 2023, a TSMC un anno dopo e a Samsung entro il 2025.

L'ASML verrà svelato anche nell'estate del 2024 i suoi piani per ciò che verrà dopo: la tecnologia EUV “Hyper-NA”. Questo concetto, ancora nelle prime fasi di ricerca, non verrà implementato prima del 2030.

Fonte: Potenziamento tecnologico

Nel complesso, i progressi dell'ASML nell'EUV e le competenze nell'DUV ne fanno un probabile vincitore in qualsiasi guerra tecnologica in campi affini alle sue competenze, come il DUV senza maschera.

Potrebbe tuttavia verificarsi un periodo di instabilità e una rinnovata concorrenza con i produttori cinesi che potrebbero accaparrarsi quote di mercato nella produzione di semiconduttori del Paese, soprattutto se aiutati dal governo cinese o a causa delle sanzioni imposte dagli Stati Uniti in merito alle vendite di ASML alla Cina.

Riferimento di studio:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). Display a diodi micro-emettitori di luce ad alta potenza AlGaN con luce ultravioletta profonda. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}