Maskfri litografi: En spelväxlare för chipstillverkare

Litografi, kärnan i halvledartillverkning

Att producera halvledare har blivit en av de mest lönsamma och strategiska industriella aktiviteterna under 21^st århundradet, med företag som Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), eller TSMC (TSM ) (följ länkarna för en dedikerad rapport om var och en av dessa företag) som når marknadsvärde i miljarder om inte flera biljoner dollar.

Nästan alla använder en process som kallas fotolitografi. Som namnet antyder använder den mycket kraftfulla ljusstrålar för att gravera kiselplattor och omvandla dem till datorchips och andra halvledarkomponenter.

Detta kräver mycket specialiserade maskiner med mängder av ultranoggranna linser, motorer och ett system som kallas en “fotomask”.

Källa: CopperPod IP

Fotomasker är gjorda av kvarts- eller glasyta belagda med en ogenomskinlig film där mönstret för den enhet som tillverkas etsas. Denna film är i princip mallen för chippen som kommer att graveras på kiselplattan, även om den miniatyriseras till en mycket mindre skala under graveringen.

De flesta chip tillverkas med DUV‑maskiner (Deep Ultra‑Violet) som använder kraftfulla UV‑strålar för att etsa kisel. Mer avancerade chip använder EUV (Extreme Ultra‑Violet), som använder ännu kraftfullare UV‑ljus. För närvarande har halvledartillverkaren ASML (ASML ) monopol på EUV.

Både DUV‑ och EUV‑maskiner är stora, dyra och energikrävande.

Ett annat alternativ som håller på att växa är maskfri litografi. Denna teknik kan ha gjort ett enormt språng tack vare världens första djup‑UV‑mikro‑LED‑displaychip som uppfunnits av kinesiska forskare.

Arbetande vid Hong Kong University of Science and Technology och Southern University of Science and Technology i Shenzhen publicerade de sina resultat i Nature Photonics under titeln “High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography¹”.

Maskfri litografi

Huvudpoängen med att använda fotomasker för litografi är att den låter DUV‑maskinen använda mycket ljus och sedan fokusera en del av det i graveringen. Detta ledde dock till låg ljuseffektivitet, otillräcklig optisk effekt­densitet och i slutändan låg verkningsgrad samt hög energiförbrukning.

Ett alternativ kan vara att använda en mer precis UV‑ljuskälla, som aluminium‑gallium‑nitrid djup‑ultraviolett (UVC) mikro‑LED‑lampor. Att utveckla UVC‑LED‑lampor med tillräcklig uteffekt har dock varit ett problem fram till nu.

Detta innebär att maskfri litografi bara har använts för lägre upplösnings‑substrat, såsom kretskort, istället för kiselplattor av chip‑klass.

Maskfri fotolitografi skulle drastiskt minska kostnaden för halvledartillverkning och erbjuda fler anpassningsalternativ. Sammantaget skulle denna teknik göra all elektronik billigare och enklare att tillverka.

Bättre UVC‑LED‑lampor

En nyckelfaktor i den bristande prestandan hos UVC‑mikro‑LED‑lampor är att betydande justeringsgap under tillverkningsprocesserna av LED‑subenheterna orsakar problem när man försöker bygga stora UVC‑mikro‑LED‑displayar. Inte bara kan en specifik LED‑ljuskälla vara ojämn internt, utan olika LED‑lampor som tillverkas samtidigt visar olika egenskaper.

Källa: Nature Photonics

Forskarnas förbättrade tillverkningsmetod lyckades bygga en enhetlig 160 × 90 UVC‑mikro‑LED‑matris. Denna matris har en pixelstorlek på 6 μm och ett steg på 10 μm.

Källa: Nature Photonics

Gör UVC‑LED‑lampor användbara

De förbättrade LED‑lamporna integrerades sedan med kretskort för att generera och projicera digitala UV‑mönster.

De resulterande systemen kunde visa alla komplexa mönster och teckningar i intensivt UVC‑ljus.

Källa: Nature Photonics

På grund av LED‑lampornas lilla storlek behövs inga komplexa demagnifieringslinser som används i fotolitografi med fotomasker.

Efter en 5‑sekunders exponering utvecklas en spegelskriven struktur på wafer‑ytan. Detta kan gravera mönster i storlekar från 3 μm till 100 μm (mikrometer).

Källa: Nature Photonics

Denna djup‑UV‑mikro‑LED‑displaychip integrerar den ultravioletta ljuskällan med mönstret på masken. Den ger tillräcklig bestrålningsdos för fotoresist‑exponering på kort tid, vilket skapar en ny väg för halvledartillverkning.

Prof. KWOK Hoi‑Sing – Grundande chef för State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies vid HKUST

Vidare framsteg

Ännu bättre UVC‑LED‑lampor

Forskarteamet som ansvarade för detta genombrott tror att de kan driva prestandan hos sina mikro‑LED‑lampor ännu längre än prototypen 320 × 140.

De ser en väg att utveckla 1k, 2k eller till och med 8k högupplösta djup‑ultravioletta mikro‑LED‑displayskärmar, som skulle gravera mönster på kisel ännu mer exakt.

“Jämfört med andra representativa arbeten har vår innovation mindre enhetsstorlek, lägre drivspänning, högre extern kvantumeffektivitet, högre optisk effekt­densitet, större matrisstorlek och högre displayupplösning.

Dr. FENG Feng – Postdoktoral forskningsassistent vid HKUST

Extra stödsystem

Även om UVC‑mikro‑LED‑lampor inte kräver samma mängd linser som klassisk litografi med fotomasker, är forskarnas upplösning ännu inte tillräcklig.

Därför skulle relaterade lins‑ och fokussystem, som ligger utanför forskarnas expertis inom LED‑tillverkning, kunna förbättra maskfri fotolitografi avsevärt. Detta bör dock inte vara en stor teknisk svårighet för halvledarindustrin, eftersom dessa är kända och allmänt använda teknologier.

Företag som redan producerar DUV‑maskiner skulle enkelt kunna skapa en ny design med maskfria UVC‑mikro‑LED‑lampor och fokuseringslinser i stället för den traditionella designen som kräver dyra fotomasker.

Investera i halvledarlitografi

När maskfri litografi blir en allt vanligare del av halvledarindustrin kommer detta teknologiska skifte sannolikt att skapa både vinnare och förlorare.

Företag som är specialiserade på fotomaskproduktion, som Photronics, Inc. (PLAB ), riskerar sannolikt att drabbas.

Å andra sidan skulle företag som producerar DUV‑litografimaskiner gynnas av en ny maskfri design. Genom att ta bort en dyr förbrukningsvara skulle hela litografiprocessen bli billigare. Billigare halvledare skulle öka försäljningsvolymen och därmed efterfrågan på DUV‑maskiner.

Du kan investera i halvledarrelaterade företag via många mäklare, och du kan hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i securities.io för USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Eller, om du föredrar ett mer diversifierat tillvägagångssätt, kan du investera i halvledar‑ETF:er som iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH), eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan också läsa mer om leveranskedjan för halvledartillverkningsutrustning och nyckelföretag i “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Halvledarlitografiföretag

ASML Holding N.V.

ASML‑översikt

Världens största leverantör av halvledarutrustning efter marknadsvärde, nederländska ASML är också ledaren inom området, med ett kvasi‑monopol på en nyckelteknik kallad EUV‑litografi (Extreme UltraViolet).

EUV möjliggör ultrasmåliga noder, ner till 7 nm, eller till och med 5 nm och 3 nm. Dessa avancerade nodnivåer anses ofta vara nödvändiga för applikationer som AI, maskininlärning, 5G, AR/VR och avancerade molntjänster.

EUV står för närvarande i centrum för spänningarna mellan Kina och USA samt handelskrigen. På sommaren 2022 förbjöd USA export av EUV‑maskiner till Kina. Detta följdes av Huaweis försök att utveckla egna EUV‑lösningar, med ett patent inlämnat i december 2022.

Genom att ha ett de‑facto‑monopol på EUV utanför Kina är ASML en mycket framträdande chip‑utrustningstillverkare, en status som förstärkts av det amerikanska trycket att begränsa exporten av teknologin till sin största rival. Som ett resultat är ASML en avgörande leverantör till alla chip‑tillverkare som vill bygga de mest avancerade chippen.

EUV är eftertraktaren till tidigare teknik, som också säljs av ASML, DUV‑litografi (Deep UltraViolet).

Källa: ASML

EUV‑systemen utgör bara en bråkdel av de sålda maskinerna, men till ett mycket högre pris, vilket ger en stor del av intäkterna och vinsten. DUV‑systemen (ArFi, ArF & KrF) representerar dock majoriteten av företagets försäljning (61 %).

Källa: ASML

ASML är inte den enda DUV‑maskintillverkaren, med konkurrenter som Canon eller Nikon också aktiva, men det är med långt störst ”fokuserat” företag, medan de japanska konkurrenterna är konglomerat med flera andra verksamheter.

DUV‑maskiner & Kina

Kinesisk konkurrens växer inom DUV, på grund av den kinesiska regeringens satsning på inhemska leverantörer av halvledarutrustning.

Med tanke på att förbättrade UVC‑mikro‑LED‑lampor, den senaste innovationen för att göra maskfri DUV mer realistisk, kom från forskare i Hong Kong och Shenzhen, bör investerare ta hänsyn till detta, särskilt eftersom Kina står för 47 % av ASML:s intäkter.

Export av DUV‑maskiner till Kina har också varit föremål för amerikanska sanktioner, men dessa mötte betydande motstånd från de nederländska, koreanska och till och med taiwanesiska myndigheterna.

Amsterdam har beslutat att från och med nu kommer ASML att ansöka om nödvändiga licenser för att exportera sina DUV‑maskiner till medlemmar på den amerikanska Bureau of Industry Standards’ Entity List från den nederländska regeringen istället för den amerikanska regeringen.

Detta innebär i praktiken att de USA‑manderade exportkontrollerna kommer att ligga under licensförvaltning av myndigheter i Nederländerna istället för i USA.

The Diplomat

Slutsats om ASML

Trots potentiella Kina‑relaterade risker är ASML (nästan) den obestridda ledaren inom litografibranschen och är redan på väg mot nästa nivå av EUV‑teknik: high‑NA EUV‑system (High Numerical Aperture).

High‑NA EUV‑maskiner distribueras nu: till Intel i december 2023, till TSMC ett år senare och till Samsung år 2025.

ASML presenterade även sommaren 2024 sina planer för nästa steg: “Hyper‑NA” EUV‑teknik. Detta koncept, som fortfarande befinner sig i tidiga forskningsstadier, kommer inte att implementeras förrän efter 2030.

Källa: Tech PowerUp

Sammanfattningsvis gör ASML:s framsteg inom EUV och expertis inom DUV dem till sannolika vinnare i varje teknikkrig inom områden som är relaterade till deras kompetens, såsom maskfri DUV.

Det kan dock uppstå en period av instabilitet och förnyad konkurrens med kinesiska tillverkare som sannolikt kommer att ta marknadsandelar i landets halvledarproduktion, särskilt om de får stöd av den kinesiska regeringen eller på grund av USA‑ordnade sanktioner kring ASML:s försäljning till Kina.

Studierreferens:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). Högpresterande AlGaN djup‑ultravioletta mikro‑LED‑display. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}