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マスクレスリソグラフィー：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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半導体製造の中核、リソグラフィー
半導体の生産は21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いる。st 21世紀には、 Nvidia (NVDA ), インテル (INTC )または TSMC (TSM ) (各企業に関する専用レポートについてはリンクをご覧ください。）の時価総額は数十億ドル、場合によっては数兆ドルに達する。
それらのほとんどすべてはフォトリソグラフィーと呼ばれるプロセスを使用しています。名前が示すように、非常に強力な光線を使用してシリコン ウェハーを彫刻し、コンピューター チップやその他の半導体コンポーネントに変換します。
これには、多数の超高精度レンズ、モーター、および「フォトマスク」と呼ばれるシステムを備えた非常に特殊な機械が必要です。
出典： コッパーポッドIP
フォトマスクは、製造するデバイスのパターンがエッチングされた不透明フィルムでコーティングされた石英またはガラス基板で作られています。このフィルムは、基本的にシリコン ウェーハに彫刻されるチップのテンプレートですが、彫刻プロセス中に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ために強力な紫外線ビームを使用するDUV（深紫外線）リソグラフィー装置を使用して製造されています。より高度なチップは、さらに強力な紫外線を使用するEUV（極端紫外線）を使用しています。現時点では、半導体メーカーのASML (ASML ) EUVを独占している。
DUV マシンと EUV マシンはどちらも大きく、高価で、電力を大量に消費します。
マスクレスリソグラフィーという新たな選択肢が浮上しつつあります。この技術は、中国の研究者によって発明された世界初の深紫外線マイクロLEDディスプレイチップのおかげで、大きな進歩を遂げたかもしれません。
香港科技大学と深圳の南方科技大学で研究を行った彼らは、ネイチャーフォトニクス誌に「マスクレスフォトリソグラフィー用高出力AlGaN深紫外線マイクロ発光ダイオードディスプレイ1"。
マスクレスリソグラフィー
リソグラフィーにフォトマスクを使用する主な目的は、DUV マシンが大量の光を使用し、その一部を彫刻プロセスに集中できるようにすることです。ただし、これにより光効率が低下し、光パワー密度が不十分になり、最終的には効率が低下し、エネルギー消費量が増加します。
代替案としては、より高精度の紫外線光源、たとえば窒化アルミニウムガリウム深紫外線（UVC）マイクロ発光ダイオード（マイクロLED）を使用する方法があります。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。
つまり、マスクレス リソグラフィーは、チップグレードのシリコン ウェーハではなく、プリント回路基板などの低解像度の基板にのみ使用されてきたことになります。
マスクレスフォトリソグラフィーは半導体製造コストを大幅に削減し、カスタマイズの選択肢を広げます。全体として、この技術によりあらゆる電子機器の製造が安価になり、容易になります。
より優れたUVC LED
UVC マイクロ LED の性能が不十分な主な要因は、LED サブユニットの製造プロセス中に生じる大きな位置合わせギャップが、大型の UVC マイクロ LED ディスプレイを構築する際に問題を引き起こすことです。特定の LED ライトが内部的に均一でない可能性があるだけでなく、同時に製造された異なる LED が異なる特性を示します。
研究者ら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た。このアレイは、ピクセルサイズ6μm、ピッチ10μmを特徴とする。
UVC LED を有効活用する
改良された LED は回路基板と統合され、デジタル UV パターンを生成して投影できるようになりました。
結果として得られたシステムは、強力な UVC 光であらゆる複雑なパターンや図を表示できるようになりました。
LED のサイズが小さいため、フォトマスクを使用したフォトリソグラフィーで使用される複雑な縮小レンズは必要ありません。
5 秒間露光すると、ウェハー表面に鏡面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) のサイズのパターンを彫刻できます。
この深紫外線マイクロLEDディスプレイチップは、紫外線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露光に十分な照射量を提供し、半導体製造に新たな道を切り開きます。」
郭海星教授 – 香港科技大学先端ディスプレイおよびオプトエレクトロニクス技術国家重点研究室創設所長
さらなる進歩
さらに優れたUVC LED
この成果をもたらした研究チームは、320 × 140 のプロトタイプからマイクロ LED の性能をさらに向上できると考えています。
彼らは、シリコン上にさらに正確にパターンを刻み込む、1k、2k、さらには8kの高解像度深紫外線マイクロLEDディスプレイ画面を開発する道を見出しています。
「他の代表的な研究と比較して、私たち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という特徴があります。
フェン・フェン博士 – HKUST 博士研究員
追加サポートシステム
UVC-microLEDはフォトマスクを使用する従来のリソグラフィーと同じレンズアレイを必要としませんが、研究者の解像度はまだ十分ではありません。
そのため、LED 製造におけるこれらの研究者の専門知識の範囲を超える関連レンズとフォーカス システムは、マスクレス フォトリソグラフィーを大幅に改善する可能性があります。ただし、これらは既知であり、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困難にはならないはずです。
そのため、すでに DUV マシン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 と集束レンズを使用して新しい設計を簡単に作成できます。
半導体リソグラフィーへの投資
マスクレス・リソグラフィーが半導体業界でますます一般的になるにつれ、この技術の変化によって勝者と敗者が生まれる可能性が高くなります。
Photronics, Inc. のようなフォトマスク製造を専門とする企業。 (PLAB ) 被害を受ける可能性が高い。
一方、DUVリソグラフィー装置を製造する企業は、新しいマスクレス設計の恩恵を受けるでしょう。高価な消耗品をなくすことで、リソグラフィー作業全体のコストが下がります。半導体の価格が下がれば販売量が増え、DUV装置の需要が高まります。
半導体関連企業への投資は多くのブローカーを通じて行うことができ、ここでは 証券.io、最高のブローカーの推奨事項 アメリカ合衆国, Canada, Australia, 英国, 他の多くの国と同様に.
あるいは、より分散した投資を希望する場合は、半導体関連のETFに投資することもできます。 iシェアーズセミコンダクターETF (ソックス) バンエック セミコンダクター ETF (SMH)、または グローバルX半導体ETF（SEMI）.
半導体製造装置のサプライチェーンと主要企業の詳細については、「製造サポート向け半導体装置株トップ10"。
半導体リソグラフィー会社
ASMLホールディングNV
(ASML )
ASMLの概要
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、この分野でもリーダーであり、 EUVリソグラフィー（Extreme UltraViolet）と呼ばれる主要技術.
EUV では、最大 7nm、さらには 5nm や 3nm の超小型ノードが可能になります。 これらの高度なノード レベルは、AI、機械学習、5G、AR/VR、高度なクラウド サービスなどのアプリケーションに必要であると考えられています。
EUVは現在、中国と米国の緊張と貿易戦争の中心となっている。 2022年夏、米国は中国へのEUV装置の輸出を禁止した。 これに続いて、ファーウェイが独自の EUV ソリューションを開発する取り組みが続きました。 2022 年 XNUMX 月に特許が登録されています.
ASMLは中国国外でEUVを事実上独占しているため、非常に著名なチップ機器メーカーとなっているが、その地位は主なライバルへの技術輸出を制限するという米国の圧力によって高まっている。 その結果、ASML は、最先端のチップの構築を目指すすべてのチップ メーカーにとって重要なサプライヤーとなっています。
EUVはASMLが販売する以前の技術の後継であり、 DUVリソグラフィー（深紫外線）.
出典： ASML
EUV システムは販売された機械のほんの一部を占めるに過ぎませんが、価格がはるかに高いため、収益と利益の大部分を占めています。それでも、DUV システム (ArFi、ArF、KrF) は同社の売上の大部分 (61%) を占めています。
出典： ASML
ASMLは唯一のDUVマシン製造会社ではなく、キヤノンやニコンなどの競合企業も活動しているが、日本の競合企業が他の複数の事業を展開している複合企業であるのに対し、ASMLは群を抜いて最も「集中型」の企業である。
DUVマシンと中国
中国政府が半導体装置の国内サプライヤーを奨励しているため、DUV における中国の競争は激化しています。
マスクレスDUVをより現実的なものにする最新のイノベーションである改良型UVCマイクロLEDが香港と深センの研究者から生まれたことを考慮すると、中国がASMLの収益の47％を占めていることを考えると、投資家はこれを考慮すべきである。
中国へのDUV機の輸出も米国の制裁の対象となっている。 しかし、これらは大きな反発に遭った オランダ人から、 韓国政府、さらには台湾政府s.
アムステルダムは、今後ASMLが米国産業標準局のエンティティリストに登録されているメンバーにDUVマシンを輸出するために必要なライセンスを、米国政府ではなくオランダ政府から取得することを決定した。
これは本質的に、米国が義務付けた輸出規制が米国ではなくオランダの管理者の許可管轄下に入ることを意味します。
ASMLについての結論
それでも、中国関連の潜在的なリスクにもかかわらず、ASML はリソグラフィー業界の (ほぼ) 競合相手のいないリーダーであり、すでに EUV 技術の次のレベルである高 NA EUV システム (高開口数) へと移行しています。
高NA EUVマシンは現在、2023年2025月にIntel、XNUMX年後にTSMC、XNUMX年までにSamsungに導入される予定です。
ASMLも2024年夏に発表 同社の次の計画は「ハイパーNA」EUV技術だ。このコンセプトはまだ研究の初期段階にあり、2030年以降まで導入されないだろう。
出典： テックパワーアップ
全体的に、ASML の EUV における進歩と DUV における専門知識により、マスクレス DUV など、同社の専門知識が求められる分野におけるあらゆる技術戦争で同社が勝利する可能性が高くなります。
しかし、中国政府の支援があったり、ASMLの中国向け販売に関して米国が制裁を発動したりした場合は特に、不安定な時期が訪れ、中国のメーカーが同国の半導体生産の市場シェアを奪う可能性が高く、新たな競争が起こる可能性がある。
研究参考文献:
1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). 高出力AlGaN深紫外線マイクロ発光ダイオードディスプレイ。 Nature Photonicsの. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7
