Litografia senza maschera: un punto di svolta per i produttori di chip

Litografia, il nucleo della produzione di semiconduttori

Produzione di semiconduttori è diventata una delle attività industriali più redditizie e strategiche del 21^st secolo, con aziende come Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), o TSMC (TSM ) (seguire i collegamenti per un rapporto dedicato su ciascuna di queste aziende) raggiungendo una capitalizzazione di mercato di miliardi, se non diversi trilioni di dollari.

Quasi tutti utilizzano un processo chiamato fotolitografia.

Ciò richiede macchine molto specializzate con numerosi obiettivi ultra‑precisi, motori e un sistema chiamato “photomask”.

Fonte: CopperPod IP

I photomask sono realizzati su substrati di quarzo o vetro rivestiti con un film opaco sul quale viene inciso il modello del dispositivo in fase di fabbricazione. Questo film è essenzialmente il modello per i chip che verranno incisi sul wafer di silicio, sebbene venga miniaturizzato a una scala molto più piccola durante il processo di incisione.

La maggior parte dei chip viene prodotta utilizzando macchine di litografia DUV (Deep Ultra-Violet), che impiegano potenti fasci 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 ) detiene un monopolio sull’EUV.

Sia le macchine DUV sia quelle EUV sono grandi, costose e ad alto consumo energetico.

Un\’altra opzione sta emergendo con la litografia senza maschera. Questa tecnologia potrebbe aver compiuto un salto gigantesco grazie ai primi chip display microLED deep‑UV al mondo inventati da ricercatori cinesi.

Lavorando presso la Hong Kong University of Science and Technology e la Southern University of Science and Technology di Shenzhen, hanno pubblicato i loro risultati su Nature Photonics con il titolo “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography”.

Litografia senza maschera

Il punto principale dell’uso dei photomask per la litografia è che consentono alla macchina DUV di utilizzare molta luce, per poi focalizzare una parte di essa nel processo di incisione. Tuttavia, ciò ha portato a una bassa efficienza luminosa, una densità di potenza ottica insufficiente e, in definitiva, a una scarsa efficienza e a un alto consumo energetico.

Un’alternativa potrebbe essere l’uso di una sorgente di luce UV più precisa, come i diodi a emissione di luce micro‑LED deep‑ultraviolet (UVC) in alluminio‑gallio‑nitruro. Tuttavia, lo sviluppo di LED UVC con sufficiente potenza in uscita è stato finora un problema.

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 grado chip.

La fotolitografia senza maschera ridurrebbe drasticamente i costi della produzione di semiconduttori e offrirebbe maggiori opzioni di personalizzazione. In generale, questa tecnologia renderebbe qualsiasi prodotto elettronico più economico e più facile da produrre.

LED UVC migliori

Un fattore chiave nella scarsa prestazione dei micro‑LED UVC è che i notevoli spazi di allineamento durante i processi di fabbricazione delle sub‑unità LED causano problemi nella costruzione di display micro‑LED UVC di grandi dimensioni. Non solo una specifica luce LED potrebbe non essere uniforme internamente, ma LED diversi prodotti contemporaneamente mostreranno caratteristiche differenti.

Fonte: Nature Photonics

I ricercatori hanno migliorato il metodo di fabbricazione per costruire con successo una matrice uniforme di micro‑LED UVC 160 × 90. Questa matrice presenta una dimensione del pixel di 6 μm e un passo di 10 μm.

Fonte: Nature Photonics

Rendere utili i LED UVC

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

I sistemi risultanti potevano visualizzare qualsiasi pattern o disegno complesso in luce UVC intensa.

Fonte: Nature Photonics

Grazie alle piccole dimensioni dei LED, non è necessario utilizzare le complesse lenti di demagnificazione impiegate nella fotolitografia con photomask.

Dopo un’esposizione di 5 secondi, una struttura scritta a specchio si sviluppa sulla superficie del wafer. Questo potrebbe incidere pattern di dimensioni comprese tra 3 μm e 100 μm.

Fonte: Nature Photonics

Questo chip display microLED deep‑UV integra la sorgente di luce ultravioletta con il pattern sulla maschera. Fornisce una dose di irradiazione sufficiente per l’esposizione della fotoresist in breve tempo, creando una nuova via per la produzione di semiconduttori.” Pr. KWOK Hoi‑Sing – Direttore Fondatore del Laboratorio Statale Chiave per le Tecnologie Avanzate di Display e Optronica presso HKUST

Ulteriori progressi

LED UVC ancora migliori

Il team di ricerca responsabile di questo risultato pensa di poter spingere ulteriormente le prestazioni dei loro micro‑LED rispetto al prototipo 320 × 140.

Vedono una strada per sviluppare schermi display microLED deep‑ultraviolet ad alta risoluzione 1k, 2k o addirittura 8k, che inciderebbero i pattern sul silicio con ancora maggiore precisione.

“Rispetto ad altri lavori rappresentativi, la nostra innovazione presenta una dimensione del dispositivo più piccola, una tensione di pilotaggio più bassa, una maggiore efficienza quantistica esterna, una più alta densità di potenza ottica, una matrice più grande e una risoluzione di visualizzazione più elevata.

Dr. FENG Feng – Ricercatore post‑dottorato presso HKUST

Sistemi di supporto aggiuntivi

Sebbene i micro‑LED UVC non richiedano la stessa serie di lenti della litografia classica con photomask, la risoluzione dei ricercatori non è ancora sufficiente.

Pertanto, lenti e sistemi di focalizzazione correlati, al di fuori della competenza di questi ricercatori nella produzione di LED, potrebbero migliorare significativamente la fotolitografia senza maschera. Tuttavia, ciò non dovrebbe rappresentare una grande difficoltà tecnica per l’industria dei semiconduttori, poiché queste tecnologie sono note e comunemente utilizzate.

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

Investire nella litografia dei semiconduttori

Man mano che la litografia senza maschera diventa una parte sempre più comune dell’industria dei semiconduttori, questo cambiamento tecnologico probabilmente produrrà alcuni vincitori e alcuni vinti.

Le aziende specializzate nella produzione di photomask come Photronics, Inc. (PLAB ) probabilmente subiranno delle perdite.

D’altra parte, le aziende che producono macchine di litografia DUV trarrebbero beneficio da un nuovo design senza maschera. Rimuovendo un consumabile costoso, l’intera operazione di litografia diventerebbe più economica. I semiconduttori più economici aumenterebbero il volume delle vendite, incrementando la domanda di macchine DUV.

È possibile investire in società legate ai semiconduttori tramite numerosi broker, e qui, su securities.io, potete trovare le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli USA, in Canada, in Australia, nel Regno Unito, così come in molti altri paesi.

Oppure, se preferite un approccio più diversificato, potete investire in ETF legati ai semiconduttori come l’iShares Semiconductor ETF (SOXX), il VanEck Semiconductor ETF (SMH) o il Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Potete anche approfondire la catena di fornitura delle attrezzature per la produzione di semiconduttori e le aziende chiave in “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Azienda di litografia dei semiconduttori

Panoramica ASML

Il più grande fornitore mondiale di attrezzature per semiconduttori per capitalizzazione di mercato, l’olandese ASML è anche il 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 addirittura 5 nm e 3 nm. Questi livelli di nodo avanzati sono spesso considerati necessari per applicazioni come IA, apprendimento automatico, 5G, AR/VR e servizi cloud avanzati.

L’EUV è attualmente al centro delle tensioni e delle guerre commerciali tra Cina e USA. Nell’estate del 2022, gli USA hanno vietato l’esportazione di macchine EUV verso la Cina. Ciò è stato seguito da sforzi di Huawei per sviluppare proprie soluzioni EUV, con un brevetto depositato nel dicembre 2022.

Avendo un monopolio de facto sull’EUV fuori dalla Cina, ASML è un produttore di attrezzature per chip molto importante, uno status accentuato dalla pressione statunitense per limitare l’esportazione della tecnologia al suo principale concorrente. Di conseguenza, ASML è un fornitore cruciale per tutti i produttori di chip che desiderano realizzare i chip più avanzati.

L’EUV è il successore della tecnologia precedente, anch’essa venduta 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 elevato, rappresentando così una gran parte dei ricavi e dei profitti. Tuttavia, i sistemi DUV (ArFi, ArF e KrF) rappresentano la maggioranza delle vendite dell’azienda (61%).

Fonte: ASML

ASML non è l’unico produttore di macchine DUV, con concorrenti come Canon o Nikon anch’essi attivi, ma è di gran lunga l’azienda più “focalizzata”, mentre i suoi concorrenti giapponesi sono conglomerati con molte altre attività.

Macchine DUV e Cina

La concorrenza cinese sta crescendo nel settore DUV, a causa della spinta del governo cinese verso fornitori domestici di attrezzature per semiconduttori.

Considerando che i micro‑LED UVC migliorati, l’ultima innovazione per rendere più realistica la DUV senza maschera, provengono da ricercatori di Hong Kong e Shenzhen, questo è un aspetto che gli investitori dovrebbero tenere in considerazione, soprattutto poiché la Cina rappresenta il 47 % dei ricavi di ASML.

Le esportazioni di macchine DUV verso la Cina sono state soggette anche a sanzioni statunitensi, ma queste hanno incontrato una notevole opposizione da parte dei governi olandese, coreano e persino taiwanese.

Amsterdam ha stabilito che d’ora in poi ASML otterrà la licenza necessaria per esportare le proprie macchine DUV ai membri della Entity List del Bureau of Industry Standards degli USA dal governo olandese anziché dagli Stati Uniti.

Ciò significa sostanzialmente che i controlli all’esportazione imposti dagli USA saranno sotto la competenza di licenza degli amministratori nei Paesi Bassi invece che negli Stati Uniti.

The Diplomat

Conclusione su ASML

Tuttavia, nonostante i potenziali rischi legati alla Cina, ASML è il (quasi) leader indiscusso dell’industria della litografia e sta già passando al livello successivo della tecnologia EUV: sistemi EUV ad alta NA (High Numerical Aperture).

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

ASML ha anche presentato nell’estate del 2024 i suoi piani per il futuro: la tecnologia EUV “Hyper‑NA”. Questo concetto, ancora nelle prime fasi di ricerca, non sarà implementato prima del 2030.

Fonte: Tech PowerUp

Nel complesso, i progressi di ASML nell’EUV e la sua esperienza nel DUV la rendono un probabile vincitore in qualsiasi guerra tecnologica nei settori affini alla sua competenza, come la DUV senza maschera.

Potrebbe, tuttavia, attraversare un periodo di instabilità e una rinnovata concorrenza con i produttori cinesi, i quali potrebbero conquistare quote di mercato della produzione di semiconduttori del paese, soprattutto se sostenuti dal governo cinese o a causa delle sanzioni statunitensi imposte alle vendite di ASML verso la Cina.

Riferimento allo studio:

^{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}