마스크리스 리소그래피: 칩 제조업체를 위한 게임 체인저

리소그래피, 반도체 제조의 핵심

Producing semiconductors has become one of the most profitable and strategic industrial activities in the 21^st century, with companies like Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), or TSMC (TSM ) (각 기업에 대한 전용 보고서는 링크를 통해 확인하세요) 은 수십억, 경우에 따라 수조 달러에 달하는 시가총액에 도달하고 있습니다.

거의 모든 기업은 포토리소그래피라고 불리는 공정을 사용합니다. 이름이 나타내듯이, 매우 강력한 빛을 이용해 실리콘 웨이퍼에 새겨 컴퓨터 칩 및 기타 반도체 부품을 만듭니다.

이를 위해서는 초정밀 렌즈와 모터가 다수 탑재된 특수한 장비와 “포토마스크”라 불리는 시스템이 필요합니다.

출처: CopperPod IP

포토마스크는 석영 또는 유리 기판 위에 불투명 필름을 코팅한 것으로, 제조되는 장치의 패턴이 새겨집니다. 이 필름은 실리콘 웨이퍼에 새겨질 칩의 템플릿 역할을 하지만, 새김 과정에서 훨씬 더 작은 규모로 미세화됩니다.

대부분의 칩은 강력한 UV 빔을 사용해 실리콘을 새기는 DUV (Deep Ultra-Violet) 리소그래피 장비로 제조됩니다. 보다 고급 칩은 더 강력한 UV 빛을 사용하는 EUV (Extreme Ultra-Violet)를 사용합니다. 현재 반도체 제조업체인 ASML (ASML )는 EUV 분야에서 독점적인 지위를 가지고 있습니다.

DUV와 EUV 장비는 모두 크고, 비용이 많이 들며, 전력을 많이 소모합니다.

마스크리스 리소그래피라는 또 다른 옵션이 등장하고 있습니다. 이 기술은 중국 연구원들이 발명한 세계 최초의 딥-UV 마이크로LED 디스플레이 칩 덕분에 큰 도약을 이룬 것으로 보입니다.

Working at the Hong Kong University of Science and Technology and the  Southern University of Science and Technology at Shenzhen, they published their results in Nature Photonics under the title “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography¹”.

마스크리스 리소그래피

The main point of using photomasks for lithography is that it allows the DUV machine to use a lot of light, and then focus part of it into the engraving process. This, however, led to low light efficiency, insufficient optical power density, and ultimately low efficiency and high energy consumption.

대안으로는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 딥-UV (UVC) 마이크로LED와 같은 보다 정밀한 UV 광원을 사용하는 것이 있습니다. 하지만 충분한 출력의 UVC LED를 개발하는 것은 지금까지 문제였습니다.

이 때문에 마스크리스 리소그래피는 칩 등급 실리콘 웨이퍼 대신 인쇄 회로 기판과 같은 저해상도 기판에만 사용되어 왔습니다.

Maskless photolithography would drastically reduce the cost of semiconductor manufacturing and offer more customization options. Overall, this technology would make anything electronic cheaper and easier to manufacture.

향상된 UVC LED

A key factor in the underperformance of UVC micro-LEDs is that substantial alignment gaps during the fabrication processes of the LED sub-units cause problems when trying to build large-format UVC micro-LED displays. Not only might a specific LED light not be uniform internally, but different LEDs manufactured at the same time will display different characteristics.

출처: Nature Photonics

연구진은 제조 방법을 개선하여 160 × 90 UVC 마이크로LED 어레이를 성공적으로 구축했습니다. 이 어레이는 픽셀 크기가 6 μm이고 피치가 10 μm입니다.

출처: Nature Photonics

UVC LED 활용 방안

The improved LEDs were then integrated with circuit boards to generate and project digital UV patterns.

이 시스템은 강렬한 UVC 빛으로 복잡한 패턴과 도면을 자유롭게 표시할 수 있었습니다.

출처: Nature Photonics

LED가 작기 때문에 포토마스크를 이용한 리소그래피에서 사용되는 복잡한 감축 렌즈가 필요하지 않습니다.

5초 노출 후, 거울에 쓰인 구조가 웨이퍼 표면에 형성됩니다. 이는 3 μm에서 100 μm(마이크로미터) 크기의 패턴을 새길 수 있습니다.

출처: Nature Photonics

이 딥-UV 마이크로LED 디스플레이 칩은 자외선 광원을 마스크상의 패턴과 통합합니다. 짧은 시간에 포토레지스트 노출을 위한 충분한 조사량을 제공하여 반도체 제조를 위한 새로운 경로를 열었습니다.

Pr. KWOK Hoi-Sing – Founding Director of the State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies at HKUST

추가 진전

더 향상된 UVC LED

The research team responsible for this achievement thinks they can push the performance of their micro-LEDs even further from the 320 × 140 prototype.

They see a path to develop 1k, 2k, or even 8k high-resolution deep ultraviolet microLED display screens, which would engrave patterns on silicon even more precisely.

“다른 대표적인 연구와 비교했을 때, 우리의 혁신은 더 작은 디바이스 크기, 낮은 구동 전압, 높은 외부 양자 효율, 높은 광 파워 밀도, 더 큰 어레이 크기, 그리고 높은 디스플레이 해상도를 특징으로 합니다.

Dr. FENG Feng – Postdoctoral research fellow at HKUST

추가 지원 시스템

Although UVC-microLEDs do not require the same array of lenses as classical lithography using photomasks, the researchers’ resolution is not yet enough.

따라서 LED 제조 전문성을 넘어서는 관련 렌즈 및 초점 시스템이 마스크리스 포토리소그래피를 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 기술은 이미 알려져 있고 일반적으로 사용되는 기술이므로 반도체 산업에 큰 기술적 난제가 되지는 않을 것입니다.

So, companies already producing DUV machines could easily create a new design using maskless UVC microLEDs and focusing lenses instead of the traditional design requiring expensive photomasks.

반도체 리소그래피에 투자하기

As maskless lithography becomes an increasingly common part of the semiconductor industry, this technological shift will likely result in some winners and some losers.

포토마스크 생산에 특화된 기업인 Photronics, Inc. (PLAB )는 타격을 받을 가능성이 높습니다.

반면 DUV 리소그래피 장비를 생산하는 기업들은 새로운 마스크리스 설계 덕분에 이익을 얻을 수 있습니다. 비싼 소모품을 없애면 전체 리소그래피 작업 비용이 낮아지고, 반도체 가격이 저렴해져 판매량이 증가하며 DUV 장비에 대한 수요도 늘어납니다.

You can invest in semiconductor-related companies through many brokers, and you can find here, on securities.io, our recommendations for the best brokers in the USA, Canada, Australia, the UK, as well as many other countries.

Or, if you prefer a more diversified approach, you can invest in semiconductor-related ETFs like the iShares Semiconductor ETF (SOXX), the VanEck Semiconductor ETF (SMH), or the Global X Semiconductor ETF (SEMI).

You can also learn more about the semiconductor manufacturing equipment supply chain and key companies in “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

반도체 리소그래피 기업

ASML Holding N.V.

ASML 개요

The world’s largest semiconductor equipment supplier by market cap, Dutch ASML is also the leader in the field, with a quasi-monopoly on EUV 리소그래피(Extreme UltraViolet)라는 핵심 기술.

EUV allows for ultra-small nodes, up to 7nm, or even 5nm and 3nm. These advanced node levels are often considered necessary for applications like AI, machine learning, 5G, AR/VR, and advanced cloud services.

EUV is currently at the center of the China-USA tensions and trade wars. 2022년 여름, 미국은 EUV 장비의 중국 수출을 금지했습니다. This was followed by efforts from Huawei to develop its own EUV solutions, 2022년 12월에 특허를 출원했습니다.

By having a de facto monopoly on EUV out of China, ASML is a very prominent chip equipment manufacturer, a status heightened by the US pressure to restrict the export of the technology to its main rival. As a result, ASML is a crucial supplier to all chip manufacturers looking to build the most advanced chips.

EUV is the successor to previous technology, also sold by ASML, DUV 리소그래피(Deep UltraViolet).

출처: ASML

EUV systems make up only a fraction of the machines sold, but at a much higher price, so a large part of revenues and profits. Still, DUV systems (ArFi, ArF, & KrF) represent the majority of the company sales (61%).

출처: ASML

ASML is not the only DUV machine manufacturer, with competitors like Canon or Nikon active as well, but it is by far the most “focused” company, while its Japanese competitors are conglomerates with multiple other activities.

DUV 장비와 중국

Chinese competition is growing in DUV, due to the Chinese government’s push for domestic suppliers of semiconductor equipment.

Considering that improved UVC-microLEDs, the latest innovation in making maskless DUV more realistic, came from Hong Kong and Shenzhen researchers, this is something investors should take into account especially as China represents 47% of ASML’s revenues.

Exports of DUV machines to China have also been subjected to US sanctions, 하지만 네덜란드, 한국, 그리고 대만 정부의 강력한 반발s.

Amsterdam has ruled that from now on ASML will be procuring the necessary license to export their DUV machines to members under the U.S. Bureau of Industry Standards’ Entity List from the Dutch government instead of the U.S. government.

This essentially means that the U.S.-mandated export controls will be under the licensing purview of administrators in the Netherlands instead of the United States.

The Diplomat

ASML에 대한 결론

Still, despite potential China-related risks, ASML is the (almost) uncontested leader of the lithography industry and is already moving on to the next level of EUV technology: high-NA EUV systems (High Numerical Aperture).

High-NA EUV machines are now being deployed: to Intel in 2023년 12월, to TSMC a year later, and to Samsung by 2025.

ASML은 2024년 여름에 다음 세대 Hyper-NA(초고 NA) EUV 기술에 대한 계획을 발표했습니다 its plans for what comes next: “Hyper-NA” EUV technology”. This concept, still in early research stages, would not be deployed until after 2030.

출처: Tech PowerUp

Overall, ASML advances in EUV and expertise in DUV make it a likely winner in any tech war in fields afferent to its expertise, such as maskless DUV.

It might, however, see a period of instability and renewed competition with Chinese manufacturers likely to take market shares of the country’s semiconductor production, especially if helped by the Chinese government or because of US-ordered sanctions regarding ASML’s sales to China.

연구 참고문헌:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). 고출력 AlGaN 딥-UV 마이크로발광다이오드 디스플레이. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}