Databehandling

Maskeløs litografi: En spillveksler for chipprodusenter

mm
Publisert
Oppdatert
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Litografi, kjernen i halvlederproduksjon

Produksjon av halvledere har blitt en av de mest lønnsomme og strategiske industrielle aktivitetene i det 21st århundret, med selskaper som Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), eller TSMC (TSM ) (følg lenkene for en dedikert rapport om hvert av disse selskapene) som når en markedsverdi i milliarder, om ikke flere billioner dollar.

Nesten alle bruker en prosess kalt fotolitografi. Som navnet indikerer, bruker den svært kraftige lysstråler for å gravere silisiumskiver og gjøre dem om til databrikker og andre halvlederkomponenter.

Dette krever svært spesialiserte maskiner med mange ultra-presise linser, motorer og et system kalt en «fotomask».

Fotomasker er laget av kvartssubstrater eller glass som er belagt med en ugjennomsiktig film hvor mønsteret til enheten som produseres er etsset inn. Denne filmen er i hovedsak malen for brikkene som skal gravere på silisiumskiven, selv om den blir miniaturisert til en mye mindre skala under graveringen.

De fleste brikker produseres med DUV‑maskiner (Deep Ultra‑Violet), som bruker kraftige UV‑stråler for å etse silisium. Mer avanserte brikker bruker EUV (Extreme Ultra‑Violet), som benytter enda kraftigere UV‑lys. For øyeblikket har halvlederprodusenten ASML (ASML ) monopol på EUV.

Både DUV‑ og EUV‑maskiner er store, dyre og strøm‑krevende.

Et annet alternativ som er i ferd med å dukke opp er maskeløs litografi. Denne teknologien kan ha tatt et gigantisk sprang takket være verdens første dype‑UV‑microLED‑display‑brikker oppfunnet av kinesiske forskere.

Arbeidende ved Hong Kong University of Science and Technology og Southern University of Science and Technology i Shenzhen, publiserte de sine resultater i Nature Photonics under tittelen “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography1”.

Maskeløs litografi

Hovedpoenget med å bruke fotomasker for litografi er at det gjør at DUV‑maskinen kan bruke mye lys, og så fokusere en del av det inn i graveringen. Dette førte imidlertid til lav lys‑effektivitet, utilstrekkelig optisk effekt‑tetthet, og til slutt lav effektivitet og høyt energiforbruk.

Et alternativ kan være å bruke en mer presis UV‑lyskilde, som aluminium‑gallium‑nitrat dyp‑ultraviolet (UVC) micro‑LED‑er. Imidlertid har utviklingen av UVC‑LED‑er med tilstrekkelig kraftoutput vært et problem frem til nå.

Dette betyr at maskeløs litografi kun har blitt brukt for lav‑oppløsnings‑substrater, som trykte kretskort, i stedet for chip‑gradert silisiumskiver.

Maskeløs fotolitografi ville drastisk redusere kostnadene ved halvlederproduksjon og tilby flere tilpasningsmuligheter. Totalt sett ville denne teknologien gjøre alt elektronisk billigere og enklere å produsere.

Bedre UVC‑LED‑er

En nøkkelfaktor i den dårlige ytelsen til UVC‑micro‑LED‑er er at betydelige justeringsgap under fremstillingsprosessen av LED‑subenhetene forårsaker problemer når man prøver å bygge store UVC‑micro‑LED‑display‑er. Ikke bare kan en spesifikk LED‑lyskilde være ujevn internt, men ulike LED‑er som produseres samtidig vil vise forskjellige egenskaper.

Forskerne forbedret fremstillingsmetoden for å lykkes med å bygge et uniformt 160 × 90 UVC‑micro‑LED‑array. Dette arrayet har en pikselstørrelse på 6 μm og en pitch på 10 μm.

Gjør UVC‑LED‑er nyttige

De forbedrede LED‑ene ble deretter integrert med kretskort for å generere og projisere digitale UV‑mønstre.

De resulterende systemene kunne vise komplekse mønstre og tegninger i intens UVC‑lys.

På grunn av den lille størrelsen på LED‑ene er det ikke behov for de komplekse demagnifikasjonslinsene som brukes i fotolitografi med fotomasker.

Etter en 5‑sekunders eksponering utvikles en speil‑skrevet struktur på overflaten av skiven. Dette kan gravere mønstre i størrelser fra 3 μm til 100 μm (mikrometer).

Dette dype‑UV‑microLED‑display‑brikken integrerer den ultrafiolette lyskilden med mønsteret på masken. Den gir tilstrekkelig stråle‑dose for fotoresist‑eksponering på kort tid, og skaper en ny vei for halvlederproduksjon.”

Prof. KWOK Hoi‑Sing – Stiftende direktør for State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies ved HKUST

Videre fremgang

Enda bedre UVC‑LED‑er

Forskningsgruppen som står bak denne prestasjonen mener de kan presse ytelsen til sine micro‑LED‑er enda videre fra 320 × 140‑prototypen.

De ser en vei til å utvikle 1k, 2k eller til og med 8k høy‑oppløsnings dype‑ultrafiolette microLED‑skjermer, som vil gravere mønstre på silisium enda mer presist.

«Sammenlignet med andre representative arbeider, har vår innovasjon mindre enhetsstørrelse, lavere drivspenning, høyere ekstern kvanteeffektivitet, høyere optisk effekt‑tetthet, større array‑størrelse og høyere skjerm‑oppløsning.

Dr. FENG Feng – Postdoktoral forskningsstipendiat ved HKUST

Ekstra støttesystemer

Selv om UVC‑microLED‑er ikke krever samme mengde linser som klassisk litografi med fotomasker, er forskernes oppløsning ennå ikke tilstrekkelig.

Derfor kan relaterte linse‑ og fokussystemer, utenfor forskernes ekspertise innen LED‑produksjon, betydelig forbedre maskeløs fotolitografi. Dette bør imidlertid ikke være en stor teknisk utfordring for halvlederindustrien, da disse er kjente og vanlig brukte teknologier.

Dermed kan selskaper som allerede produserer DUV‑maskiner enkelt lage et nytt design som bruker maskeløse UVC‑microLED‑er og fokuseringslinser i stedet for det tradisjonelle designet som krever dyre fotomasker.

Investering i halvlederlitografi

Etter hvert som maskeløs litografi blir en stadig mer vanlig del av halvlederindustrien, vil dette teknologiske skiftet sannsynligvis resultere i noen vinnere og noen tapere.

Selskaper som er spesialiserte på produksjon av fotomasker, som Photronics, Inc. (PLAB ), vil sannsynligvis lide.

På den andre siden vil selskaper som produserer DUV‑litografimaskiner dra nytte av et nytt maskeløst design. Ved å fjerne et dyrt forbruksmateriale vil hele litografiprosessen bli billigere. Billigere halvledere vil øke salgsvolumet, og dermed øke etterspørselen etter DUV‑maskiner.

Du kan investere i halvlederrelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan finne våre anbefalinger for de beste meglerne i securities.io for USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Eller, hvis du foretrekker en mer diversifisert tilnærming, kan du investere i halvleder‑relaterte ETF‑er som iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH), eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan også lære mer om forsyningskjeden for halvlederproduksjonsutstyr og nøkkelselskaper i «Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support».

Halvlederlitografiselskap

ASML Holding N.V.

(ASML )

ASML‑oversikt

Verdens største leverandør av halvlederutstyr etter markedsverdi, nederlandske ASML er også leder i feltet, med et kvasi‑monopol på en nøkkelteknologi kalt EUV‑litografi (Extreme UltraViolet).

EUV gjør det mulig med ultra‑små noder, ned til 7 nm, eller til og med 5 nm og 3 nm. Disse avanserte nodenivåene anses ofte som nødvendige for applikasjoner som AI, maskinlæring, 5G, AR/VR og avanserte skytjenester.

EUV er i dag i sentrum av spenningene mellom Kina og USA og handelskrigene. Sommeren 2022 forbød USA eksport av EUV‑maskiner til Kina. Dette ble etterfulgt av Huawei‑forsøk på å utvikle egne EUV‑løsninger, med et patent innlevert i desember 2022.

Ved å ha et de‑facto monopol på EUV‑maskiner utenfor Kina, er ASML en svært fremtredende chip‑utstyrsprodusent, en status som er forsterket av USAs press for å begrense eksport av teknologien til sin største rival. Som følge av dette er ASML en kritisk leverandør til alle chip‑produsenter som ønsker å bygge de mest avanserte brikkene.

EUV er etterfølgeren til tidligere teknologi, også solgt av ASML, DUV‑litografi (Deep UltraViolet).

Kilde: ASML

EUV‑systemer utgjør kun en brøkdel av maskinene som selges, men til en mye høyere pris, og dermed en stor del av inntektene og overskuddet. Likevel representerer DUV‑systemer (ArFi, ArF, & KrF) majoriteten av selskapets salg (61%).

Kilde: ASML

ASML er ikke den eneste DUV‑maskinprodusenten; konkurrenter som Canon eller Nikon er også aktive, men ASML er med langt den mest «fokuserte» selskapet, mens de japanske konkurrentene er konglomerater med flere andre aktiviteter.

DUV‑maskiner og Kina

Kinesisk konkurranse vokser innen DUV, på grunn av den kinesiske regjeringens satsing på innenlandske leverandører av halvlederutstyr.

Med tanke på at forbedrede UVC‑microLED‑er, den nyeste innovasjonen for å gjøre maskeløs DUV mer realistisk, kom fra forskere i Hong Kong og Shenzhen, er dette noe investorer bør ta i betraktning, spesielt siden Kina står for 47 % av ASMLs inntekter.

Eksport av DUV‑maskiner til Kina har også blitt underlagt amerikanske sanksjoner, men dette har møtt betydelig motstand fra Nederland, Korea, og til og med Taiwans.

Amsterdam har bestemt at fra nå av vil ASML innhente nødvendig lisens for å eksportere sine DUV‑maskiner til medlemmer under USAs Bureau of Industry Standards’ Entity List fra den nederlandske regjeringen i stedet for den amerikanske regjeringen.

Dette betyr i hovedsak at de amerikansk‑pålagte eksportkontrollene vil bli håndtert av lisensmyndighetene i Nederland i stedet for USA.

The Diplomat

Konklusjon om ASML

Til tross for potensielle Kina‑relaterte risikoer, er ASML (nesten) den ubestridte lederen i litografibransjen og er allerede i gang med neste nivå av EUV‑teknologi: high‑NA EUV‑systemer (High Numerical Aperture).

High‑NA EUV‑maskiner blir nå distribuert: til Intel i desember 2023, til TSMC ett år senere, og til Samsung innen 2025.

ASML kunngjorde også sommeren 2024 sine planer for det neste: «Hyper‑NA» EUV‑teknologi. Dette konseptet, som fortsatt er i tidlige forskningsstadier, vil ikke bli tatt i bruk før etter 2030.

Alt i alt gjør ASMLs fremskritt innen EUV og ekspertise i DUV dem til sannsynlige vinnere i enhver teknologisk konflikt innen felter som er relatert til deres kompetanse, som maskeløs DUV.

Det kan imidlertid oppleve en periode med ustabilitet og fornyet konkurranse fra kinesiske produsenter som sannsynligvis vil ta markedsandeler i landets halvlederproduksjon, spesielt hvis de får hjelp fra den kinesiske regjeringen eller på grunn av amerikanske sanksjoner knyttet til ASMLs salg til Kina.

Studierreferanse:

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

mm

Jonathan er en tidligere biochemistforsker som arbeidet med genetisk analyse og kliniske forsøk. Han er nå en aksjeanalytiker og finansforfatter med fokus på innovasjon, markedssykluser og geopolitikk i sin publikasjon The Eurasian Century.