Maskless Lithografie: Een Game Changer voor Chipfabrikanten

Lithografie, de kern van halfgeleiderfabricage

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 ) (volg de links voor een speciaal rapport over elk van deze bedrijven) reaching market capitalization in billions if not several trillions of dollars.

Bijna al deze bedrijven gebruiken een proces dat fotolithografie wordt genoemd. Zoals de naam al aangeeft, maakt het gebruik van zeer krachtige lichtstralen om siliciumwafers te graveren en om te vormen tot computerchips en andere halfgeleidercomponenten.

Dit vereist zeer gespecialiseerde machines met tal van ultra‑preciese lenzen, motoren en een systeem dat een “fotomasker” wordt genoemd.

Bron: CopperPod IP

Fotomaskers bestaan uit kwarts- of glazen substraten die zijn gecoat met een ondoorzichtig film waarop het patroon van het te vervaardigen apparaat wordt geëtst. Deze film vormt in feite de sjabloon voor de chips die op de siliciumwafer worden gegraveerd, hoewel hij tijdens het graveerproces tot een veel kleinere schaal wordt verkleind.

De meeste chips worden vervaardigd met DUV (Deep Ultra‑Violet) lithografiemachines, die krachtige UV‑stralen gebruiken om het silicium te etsen. Meer geavanceerde chips gebruiken EUV (Extreme Ultra‑Violet), dat nog krachtigere UV‑licht gebruikt. Voorlopig heeft halfgeleiderfabrikant ASML een monopolie op EUV.

Zowel DUV‑ als EUV‑machines zijn groot, duur en energie‑intensief.

Een andere optie die opkomt is maskless lithografie. Deze technologie heeft mogelijk een enorme sprong voorwaarts gemaakt dankzij ’s werelds eerste deep‑UV microLED‑displaychips, uitgevonden door Chinese onderzoekers.

Werkend aan de Hong Kong University of Science and Technology en de Southern University of Science and Technology in Shenzhen, publiceerden zij hun resultaten in Nature Photonics onder de titel “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography”.

Maskless Lithografie

Het belangrijkste voordeel van het gebruik van fotomaskers voor lithografie is dat het de DUV‑machine in staat stelt veel licht te gebruiken en vervolgens een deel ervan te richten op het graveerproces. Dit leidde echter tot een lage lichtrendement, onvoldoende optische vermogensdichtheid en uiteindelijk een lage efficiëntie en hoog energieverbruik.

Een alternatief zou kunnen zijn het gebruik van een preciezere UV‑lichtbron, zoals aluminiumgallium‑nitride deep‑ultraviolet (UVC) micro‑lichtgevende diodes (micro‑LED’s). Het ontwikkelen van UVC‑LED’s met voldoende vermogen is echter tot nu toe een probleem geweest.

Dit betekent dat maskless lithografie tot nu toe alleen is toegepast op lagere resolutie‑substraten, zoals printplaten, in plaats van op chip‑kwaliteit siliciumwafers.

Maskless fotolithografie zou de kosten van halfgeleiderfabricage drastisch verlagen en meer maatwerkopties bieden. Over het geheel genomen zou deze technologie alles elektronisch goedkoper en eenvoudiger te produceren maken.

Betere UVC-LED’s

Een belangrijke factor in de onderprestaties van UVC‑micro‑LED’s is dat aanzienlijke uitlijningsgaten tijdens de fabricageprocessen van de LED‑subeenheden problemen veroorzaken bij het bouwen van grote UVC‑micro‑LED‑displays. Niet alleen kan een specifieke LED‑licht niet intern uniform zijn, maar verschillende LED’s die gelijktijdig worden vervaardigd, vertonen verschillende kenmerken.

Bron: Nature Photonics

De onderzoekers verbeterden de fabricagemethode om met succes een uniforme 160 × 90 UVC‑micro‑LED‑array te bouwen. Deze array heeft een pixelgrootte van 6 μm en een pitch van 10 μm.

Bron: Nature Photonics

UVC-LED’s bruikbaar maken

De verbeterde LED’s werden vervolgens geïntegreerd met printplaten om digitale UV‑patronen te genereren en te projecteren.

De resulterende systemen konden elke complexe patronen en tekeningen weergeven in intens UVC‑licht.

Bron: Nature Photonics

Door de kleine afmeting van de LED’s is er geen behoefte aan de complexe demagnificatielenzen die bij fotolithografie met fotomaskers worden gebruikt.

Na een belichting van 5 seconden ontstaat er een spiegel‑geschreven structuur op het oppervlak van de wafer. Hiermee kunnen patronen worden gegraveerd met afmetingen variërend van 3 μm tot 100 μm.

Bron: Nature Photonics

Deze deep‑UV microLED‑displaychip integreert de ultraviolet lichtbron met het patroon op het masker. Het levert een voldoende bestralingsdosis voor fotoresistbelichting in een korte tijd, waardoor een nieuw pad voor halfgeleiderfabricage wordt gecreëerd.

Prof. KWOK Hoi‑Sing – Oprichter‑directeur van het State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies aan de HKUST

Verdere vooruitgang

Nog betere UVC-LED’s

Het onderzoeksteam dat verantwoordelijk is voor deze prestatie denkt dat ze de prestaties van hun micro‑LED’s nog verder kunnen verbeteren ten opzichte van het 320 × 140 prototype.

Ze zien een weg om 1k‑, 2k‑ of zelfs 8k‑hoge resolutie deep‑ultraviolet microLED‑display schermen te ontwikkelen, die patronen op silicium nog nauwkeuriger zouden kunnen graveren.

“Vergeleken met andere representatieve werken, kenmerkt onze innovatie zich door een kleinere apparaatgrootte, lagere aansturingsspanning, hogere externe kwantumefficiëntie, hogere optische vermogensdichtheid, grotere arraygrootte en hogere weergaveresolutie.

Dr. FENG Feng – Postdoctoraal onderzoeker aan de HKUST

Extra ondersteuningssystemen

Hoewel UVC‑microLED’s niet dezelfde reeks lenzen nodig hebben als klassieke lithografie met fotomaskers, is de resolutie van de onderzoekers nog niet voldoende.

Daarom zouden gerelateerde lens‑ en fokussystemen, buiten het expertisegebied van deze onderzoekers in LED‑fabricage, maskless fotolithografie aanzienlijk kunnen verbeteren. Dit zou echter geen grote technische moeilijkheid moeten vormen voor de halfgeleiderindustrie, aangezien deze technologie bekend en algemeen in gebruik is.

Daarom zouden bedrijven die al DUV‑machines produceren gemakkelijk een nieuw ontwerp kunnen maken met maskless UVC‑microLED’s en fokusslenzen in plaats van het traditionele ontwerp dat dure fotomaskers vereist.

Investeren in halfgeleiderlithografie

Naarmate maskless lithografie een steeds vaker voorkomend onderdeel van de halfgeleiderindustrie wordt, zal deze technologische verschuiving waarschijnlijk leiden tot winnaars en verliezers.

Bedrijven die gespecialiseerd zijn in de productie van fotomaskers, zoals Photronics, Inc. (PLAB ) zullen waarschijnlijk lijden.

Aan de andere kant zouden bedrijven die DUV‑lithografiemachines produceren profiteren van een nieuw maskless‑ontwerp. Door een duur verbruiksartikel te verwijderen, zou de gehele lithografie‑operatie goedkoper worden. Goedkopere halfgeleiders zouden het verkoopvolume verhogen, waardoor de vraag naar DUV‑machines stijgt.

U kunt investeren in halfgeleidergerelateerde bedrijven via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Of, als u de voorkeur geeft aan een meer gediversifieerde aanpak, kunt u investeren in halfgeleidergerelateerde ETF’s zoals de iShares Semiconductor ETF (SOXX), de VanEck Semiconductor ETF (SMH), of de Global X Semiconductor ETF (SEMI).

U kunt ook meer leren over de toeleveringsketen van halfgeleiderfabricageapparatuur en belangrijke bedrijven in “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Halfgeleiderlithografiebedrijf

ASML Overzicht

De grootste leverancier van halfgeleiderapparatuur ter wereld op basis van marktkapitalisatie, het Nederlandse ASML, is tevens de leider in het veld, met een quasi‑monopolie op een sleuteltechnologie genaamd EUV‑lithografie (Extreme UltraViolet).

EUV maakt ultra‑kleine nodes mogelijk, tot 7 nm, of zelfs 5 nm en 3 nm. Deze geavanceerde node‑niveaus worden vaak als noodzakelijk beschouwd voor toepassingen zoals AI, machine learning, 5G, AR/VR en geavanceerde clouddiensten.

EUV staat momenteel centraal in de spanningen en handelsoorlogen tussen China en de VS. In de zomer van 2022 verbood de VS de export van EUV‑machines naar China. Dit werd gevolgd door pogingen van Huawei om eigen EUV‑oplossingen te ontwikkelen, met een patent ingediend in december 2022.

Door een de‑facto monopolie op EUV buiten China te hebben, is ASML een zeer prominente chip‑apparatuurfabrikant, een status die wordt versterkt door de druk van de VS om de export van de technologie naar haar belangrijkste rivaal te beperken. Als gevolg hiervan is ASML een cruciale leverancier voor alle chipfabrikanten die de meest geavanceerde chips willen bouwen.

EUV is de opvolger van eerdere technologie, ook verkocht door ASML, de DUV‑lithografie (Deep UltraViolet).

Bron: ASML

EUV‑systemen vormen slechts een klein deel van de verkochte machines, maar tegen een veel hogere prijs, waardoor ze een groot deel van de omzet en winst uitmaken. Desondanks vertegenwoordigen DUV‑systemen (ArFi, ArF, & KrF) de meerderheid van de bedrijfsverkopen (61%).

Bron: ASML

ASML is niet de enige DUV‑machinefabrikant; concurrenten zoals Canon of Nikon zijn ook actief, maar het is verreweg het meest “geconcentreerde” bedrijf, terwijl de Japanse concurrenten conglomeraten zijn met meerdere andere activiteiten.

DUV‑machines & China

De Chinese concurrentie groeit in DUV, vanwege de push van de Chinese overheid voor binnenlandse leveranciers van halfgeleiderapparatuur.

Gezien het feit dat verbeterde UVC‑microLED’s, de nieuwste innovatie om maskless DUV realistischer te maken, afkomstig zijn van onderzoekers uit Hong Kong en Shenzhen, moeten beleggers hier rekening mee houden, vooral omdat China 47 % van de omzet van ASML vertegenwoordigt.

Exporten van DUV‑machines naar China zijn ook onderworpen aan Amerikaanse sancties, maar deze ondervonden aanzienlijke tegenstand van de Nederlandse, Koreaanse en zelfs Taiwanese regering.

Amsterdam heeft bepaald dat ASML vanaf nu de benodigde licentie zal verkrijgen om hun DUV‑machines te exporteren naar leden onder de Entity List van het U.S. Bureau of Industry Standards via de Nederlandse overheid in plaats van de Amerikaanse overheid.

Dit betekent in wezen dat de door de VS opgelegde exportcontroles onder de licentie‑toezicht van beheerders in Nederland zullen vallen in plaats van in de Verenigde Staten.

The Diplomat

Conclusie over ASML

Desondanks, ondanks mogelijke China‑gerelateerde risico’s, is ASML de (bijna) onbetwiste leider in de lithografie‑industrie en beweegt zich al naar het volgende niveau van EUV‑technologie: high‑NA EUV‑systemen (High Numerical Aperture).

High‑NA EUV‑machines worden nu uitgerold: naar Intel in december 2023, naar TSMC een jaar later, en naar Samsung in 2025.

ASML onthulde in de zomer van 2024 ook haar plannen voor wat volgt: “Hyper‑NA” EUV‑technologie. Dit concept, nog in een vroeg onderzoeksstadium, zal pas na 2030 worden ingezet.

Bron: Tech PowerUp

Over het geheel genomen maken de vooruitgangen van ASML in EUV en de expertise in DUV het tot een waarschijnlijke winnaar in elke technologische oorlog in velden die verband houden met haar expertise, zoals maskless DUV.

Het zou echter een periode van instabiliteit en hernieuwde concurrentie met Chinese fabrikanten kunnen meemaken, die waarschijnlijk marktaandelen van de halfgeleiderproductie van het land zullen innemen, vooral als ze worden gesteund door de Chinese overheid of door door de VS opgelegde sancties met betrekking tot de verkoop van ASML aan China.

Studie Referentie:

^{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}