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マスクレスリソグラフィ：チップメーカーにとってのゲームチェンジャー

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リソグラフィ：半導体製造の核

半導体の製造は、21st世紀において最も収益性が高く戦略的な産業活動の一つとなっており、Nvidia (NVDA )、Intel (INTC )、またはTSMC (TSM )（各社の詳細レポートはリンクをご参照ください）の時価総額は数十億ドル、場合によっては数兆ドルに達しています。

ほぼすべての企業がフォトリソグラフィと呼ばれるプロセスを使用しています。名前が示す通り、非常に強力な光ビームを用いてシリコンウェハーに刻印し、コンピュータチップやその他の半導体部品に変換します。

これには、超精密レンズやモーターを多数備えた高度に特化した機械と、”フォトマスク” と呼ばれるシステムが必要です。

出典: CopperPod IP

フォトマスクは、製造されるデバイスのパターンがエッチングされる不透明膜でコーティングされた石英またはガラス基板で構成されています。この膜は、シリコンウェハーに刻印されるチップのテンプレートとして機能しますが、エッチングプロセス中にははるかに小さなスケールに縮小されます。

ほとんどのチップは、シリコンをエッチングする強力なUVビームを使用する DUV（Deep Ultra-Violet）リソグラフィ機械で製造されます。より高度なチップは、さらに強力なUV光を使用する EUV（Extreme Ultra-Violet）を使用します。現在、半導体メーカーの ASML (ASML ) は EUV の独占的な地位を占めています。

DUV と EUV の両機械は、大型で高価かつ電力消費が大きいです。

マスクレスリソグラフィという別の選択肢が浮上しています。この技術は、中国の研究者が発明した世界初の深紫外（deep-UV）マイクロLEDディスプレイチップのおかげで、大きく前進した可能性があります。

香港科技大学と深圳の南方科技大学で研究を行い、彼らはその成果を Nature Photonics にて、タイトル「High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography1」として発表しました。

マスクレスリソグラフィ

リソグラフィにフォトマスクを使用する主な理由は、DUV 機械が大量の光を使用でき、その一部をエッチングプロセスに集中させることができる点です。しかし、これにより光効率が低く、光パワー密度が不足し、結果として効率が低くエネルギー消費が高くなります。

代替案として、アルミニウムガリウムナイトリド（AlGaN）深紫外（UVC）マイクロLED のような、より精密な UV 光源を使用することが考えられます。しかし、十分な出力を持つ UVC LED の開発はこれまで課題となっていました。

そのため、マスクレスリソグラフィは、チップグレードのシリコンウェハーではなく、プリント基板などの低解像度基板でのみ使用されてきました。

マスクレスフォトリソグラフィは、半導体製造コストを劇的に削減し、カスタマイズ性を高めるでしょう。全体として、この技術はあらゆる電子製品をより安価かつ容易に製造できるようにします。

より優れた UVC LED

UVC マイクロLED の性能低下の主な要因は、LED サブユニットの製造過程で大きなアラインメントギャップが生じることで、大型の UVC マイクロLED ディスプレイを構築しようとすると問題が発生することです。特定の LED の光が内部で均一でないだけでなく、同時に製造された異なる LED が異なる特性を示すことがあります。

研究者は製造方法を改良し、均一な 160 × 90 の UVC マイクロLED アレイの構築に成功しました。このアレイはピクセルサイズが 6 μm、ピッチが 10 μm です。

UVC LED を実用化する

改良された LED は回路基板に統合され、デジタル UV パターンを生成・投影できるようになりました。

このシステムは、強烈な UVC 光で任意の複雑なパターンや図形を表示できます。

LED の小型化により、フォトマスクを使用したフォトリソグラフィで必要とされる複雑な縮小レンズは不要です。

5 秒間の露光後、ウェハー表面にミラーで書き込まれた構造が形成されます。これにより、3 μm から 100 μm（マイクロメートル）までのサイズのパターンを刻印できます。

この深紫外（deep-UV）マイクロLEDディスプレイチップは、紫外光源とマスク上のパターンを統合しています。短時間でフォトレジストの露光に十分な照射量を提供し、半導体製造の新たな道を切り開きます。

Pr. KWOK Hoi-Sing – 香港科技大学先端ディスプレイ・光エレクトロニクス技術国家重点実験室創設ディレクター

さらなる進展

さらに優れた UVC LED

この成果を達成した研究チームは、320 × 140 プロトタイプからさらに性能を向上させられると考えています。

彼らは、1k、2k、さらには 8k の高解像度深紫外マイクロLEDディスプレイ画面を開発する道筋を見出しており、シリコン上のパターンをさらに精密に刻印できるようになります。

「他の代表的な研究と比較して、我々のイノベーションはデバイスサイズが小さく、駆動電圧が低く、外部量子効率が高く、光パワー密度が高く、アレイサイズが大きく、ディスプレイ解像度が高いです。」

Dr. FENG Feng – 香港科技大学ポストドクトラル研究員

追加のサポートシステム

UVC マイクロLED は、フォトマスクを使用した従来のリソグラフィと同様のレンズ群を必要としませんが、研究者らの解像度はまだ十分ではありません。

したがって、LED 製造の専門外である関連レンズやフォーカシングシステムは、マスクレスフォトリソグラフィを大幅に向上させる可能性があります。ただし、これらは既知で一般的に使用されている技術であるため、半導体業界にとって大きな技術的障壁になるはずはありません。

したがって、既に DUV 機械を製造している企業は、高価なフォトマスクを必要とする従来の設計の代わりに、マスクレス UVC マイクロLED とフォーカシングレンズを使用した新しい設計を容易に作成できるでしょう。

半導体リソグラフィへの投資

マスクレスリソグラフィが半導体業界でますます一般的になるにつれ、この技術的変化は勝者と敗者を生む可能性があります。

Photronics, Inc. のようなフォトマスク製造に特化した企業 (PLAB ) は、影響を受ける可能性があります。

一方、DUV リソグラフィ機械を製造する企業は、新しいマスクレス設計から恩恵を受けるでしょう。高価な消耗品を排除することで、リソグラフィ全体のコストが削減されます。半導体が安価になることで販売量が増加し、DUV 機械の需要も高まります。

多くのブローカーを通じて半導体関連企業に投資でき、securities.io では、米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国における最高のブローカーに関する推奨を掲載しています。

あるいは、より分散されたアプローチを好む場合は、iShares Semiconductor ETF (SOXX)、VanEck Semiconductor ETF (SMH)、またはGlobal X Semiconductor ETF (SEMI) などの半導体関連ETFに投資することもできます。

半導体製造装置のサプライチェーンと主要企業については、 “製造サポート向けトップ10半導体装置株” でも詳しく学べます。

半導体リソグラフィ企業

ASML 価格チャート

ASML 概要

時価総額で世界最大の半導体装置サプライヤーであるオランダの ASML は、EUV リソグラフィ（Extreme UltraViolet）という重要技術で事実上の独占状態にあり、業界のリーダーでもあります。

EUV は、7nm、さらには 5nm や 3nm といった極小ノードを実現します。これらの先端ノードは、AI、機械学習、5G、AR/VR、先進的なクラウドサービスなどの用途に必要とされることが多いです。

EUV は現在、米中間の緊張と貿易戦争の中心にあります。2022 年夏、米国は EUV 機械の中国への輸出を禁止しました。これに続き、Huawei は独自の EUV ソリューションを開発しようとし、2022 年 12 月に特許を出願しました。

中国以外で事実上の EUV 独占を保つことで、ASML は非常に重要なチップ装置メーカーとなり、米国が主要競合国への技術輸出を制限しようとする圧力によりその地位はさらに高まっています。その結果、ASML は最先端チップを製造しようとするすべてのチップメーカーにとって不可欠なサプライヤーです。

EUV は、ASML が販売している従来技術である DUV リソグラフィ（Deep UltraViolet） の後継です。

出典: ASML

EUV システムは販売される機械のごく一部を占めますが、価格がはるかに高いため、収益と利益の大部分を占めます。一方、DUV システム（ArFi、ArF、KrF）は依然として同社の売上の大多数（61%）を占めています。

出典: ASML

ASML は唯一の DUV 機械メーカーではなく、Canon や Nikon などの競合他社も存在しますが、同社は圧倒的に「集中」した企業であり、日本の競合他社は複数の事業を抱えるコングロマリットです。

DUV 機械と中国

中国政府が半導体装置の国内供給業者を推進しているため、DUV における中国の競争が拡大しています。

マスクレス DUV をより実用的にする最新のイノベーションである改良された UVC マイクロLED が香港と深圳の研究者によって開発されたことを考えると、特に中国が ASML の収益の 47% を占めている点を投資家は考慮すべきです。

DUV 機械の中国への輸出は米国の制裁対象にもなっており、オランダ、韓国、さらには台湾政府からの大きな反発を受けています。

アムステルダムは、今後 ASML が米国産業規格局（Bureau of Industry Standards）のエンティティリストに基づく輸出許可を取得する際、米国政府ではなくオランダ政府から必要なライセンスを取得することを決定しました。

これは、本質的に米国が課す輸出管理が、米国ではなくオランダの管理者の管轄下に置かれることを意味します。

The Diplomat

ASML に関する結論

それでも、中国関連のリスクがあるものの、ASML はリソグラフィ業界の（ほぼ）唯一無二のリーダーであり、すでに次世代 EUV 技術である high-NA EUV システム（高数値開口）へと進んでいます。

High-NA EUV 機械は現在、2023 年 12 月に Intel、1 年後に TSMC、そして 2025 年までに Samsung に導入されています。

ASML は 2024 年夏にも、次に来る「Hyper-NA」EUV 技術の計画を発表しました。この概念はまだ初期研究段階にあり、2030 年以降に導入される見込みです。

出典: Tech PowerUp

全体として、ASML の EUV の進歩と DUV に関する専門知識は、マスクレス DUV など自社の専門分野における技術戦争での勝者になる可能性が高いです。

しかしながら、中国政府の支援や、ASML の中国向け販売に対する米国の制裁などにより、中国メーカーが国内半導体生産の市場シェアを奪う可能性があるため、不安定な期間や新たな競争が生じることも考えられます。

研究参考文献：

1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). 高出力 AlGaN 深紫外マイクロ発光ダイオードディスプレイ. Nature Photonics. https&#58//doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。