Maskenlose Lithografie: Ein Wendepunkt für Chiphersteller

Lithografie, das Herzstück der Halbleiterfertigung

Die Produktion von Halbleitern ist zu einer der profitabelsten und strategischsten industriellen Aktivitäten im 21.^st Jahrhundert mit Unternehmen wie Nvidia (NVDA ), Intel (INTC )den TSMC (TSM ) (Folgen Sie den Links für einen speziellen Bericht zu jedem dieser Unternehmen) erreichte eine Marktkapitalisierung von Milliarden, wenn nicht mehreren Billionen Dollar.

Fast alle von ihnen verwenden ein Verfahren namens Photolithografie. Wie der Name schon sagt, werden dabei sehr starke Lichtstrahlen verwendet, um Siliziumscheiben zu gravieren und sie in Computerchips und andere Halbleiterkomponenten zu verwandeln.

Dies erfordert hochspezialisierte Maschinen mit zahlreichen hochpräzisen Linsen, Motoren und einem System namens „Fotomaske“.

Quelle: CopperPod IP

Fotomasken bestehen aus Quarz- oder Glassubstraten, die mit einem undurchsichtigen Film beschichtet sind, in den das Muster des herzustellenden Geräts geätzt wird. Dieser Film ist im Wesentlichen die Vorlage für die Chips, die auf die Siliziumscheibe graviert werden, obwohl er während des Gravurprozesses auf einen viel kleineren Maßstab miniaturisiert wird.

Die meisten Chips werden mit DUV-Lithographiemaschinen (Deep Ultra-Violet) hergestellt, die starke UV-Strahlen zum Ätzen des Siliziums verwenden. Fortschrittlichere Chips verwenden EUV (Extreme Ultra-Violet), das noch stärkeres UV-Licht verwendet. Derzeit verwendet der Halbleiterhersteller ASML (ASML ) hat ein Monopol auf EUV.

Sowohl DUV- als auch EUV-Maschinen sind groß, teuer und stromhungrig.

Eine weitere Option bietet die maskenlose Lithografie. Diese Technologie könnte dank der von chinesischen Forschern entwickelten weltweit ersten Deep-UV-Mikro-LED-Displaychips einen gewaltigen Sprung nach vorne gemacht haben.

Sie arbeiteten an der Hong Kong University of Science and Technology und der Southern University of Science and Technology in Shenzhen und veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Photonics unter dem Titel „Leistungsstarke AlGaN-Mikroleuchtdiodendisplays im tiefen Ultraviolettbereich für die maskenlose Photolithografie¹".

Maskenlose Lithografie

Der Hauptvorteil der Verwendung von Fotomasken für die Lithografie besteht darin, dass die DUV-Maschine viel Licht verwenden und einen Teil davon dann für den Gravurprozess fokussieren kann. Dies führte jedoch zu einer geringen Lichtausbeute, einer unzureichenden optischen Leistungsdichte und letztendlich zu einer geringen Effizienz und einem hohen Energieverbrauch.

Eine Alternative könnte die Verwendung einer präziseren UV-Lichtquelle sein, wie etwa Aluminium-Galliumnitrid-Mikro-Leuchtdioden (Mikro-LEDs) für tiefes Ultraviolett (UVC). Allerdings war die Entwicklung von UVC-LEDs mit ausreichender Leistung bisher ein Problem.

Dies bedeutet, dass die maskenlose Lithografie bisher nur für Substrate mit niedrigerer Auflösung, wie etwa Leiterplatten, und nicht für Silizium-Wafer in Chip-Qualität verwendet wurde.

Die maskenlose Photolithografie würde die Kosten der Halbleiterherstellung drastisch senken und mehr Anpassungsmöglichkeiten bieten. Insgesamt würde diese Technologie die Herstellung aller elektronischen Geräte billiger und einfacher machen.

Bessere UVC-LEDs

Ein Hauptfaktor für die Leistungsschwäche von UVC-Mikro-LEDs sind erhebliche Ausrichtungslücken während der Herstellungsprozesse der LED-Untereinheiten, die beim Bau großformatiger UVC-Mikro-LED-Displays Probleme verursachen. Nicht nur ist ein bestimmtes LED-Licht möglicherweise intern nicht einheitlich, sondern verschiedene gleichzeitig hergestellte LEDs weisen unterschiedliche Eigenschaften auf.

Quelle: Nature Photonics

Die Forscher verbesserten die Herstellungsmethode, um erfolgreich ein einheitliches 160 × 90 UVC-Mikro-LED-Array herzustellen. Dieses Array weist eine Pixelgröße von 6 μm und einen Abstand von 10 μm auf.

Quelle: Nature Photonics

UVC-LEDs nutzbar machen

Die verbesserten LEDs wurden dann in Leiterplatten integriert, um digitale UV-Muster zu erzeugen und zu projizieren.

Die daraus resultierenden Systeme könnten beliebige komplexe Muster und Zeichnungen in intensivem UVC-Licht anzeigen.

Quelle: Nature Photonics

Aufgrund der geringen Größe der LEDs kann auf die aufwändigen Verkleinerungslinsen verzichtet werden, die bei der Photolithografie mit Photomasken zum Einsatz kommen.

Nach einer 5-sekündigen Belichtung entsteht auf der Waferoberfläche eine spiegelverkehrt geschriebene Struktur. Diese könnte Muster in Größen von 3 μm bis 100 μm (Mikrometer) eingravieren.

Quelle: Nature Photonics

Dieser Deep-UV-Mikro-LED-Displaychip integriert die ultraviolette Lichtquelle mit dem Muster auf der Maske. Er liefert in kurzer Zeit eine ausreichende Bestrahlungsdosis für die Belichtung des Fotolacks und eröffnet damit einen neuen Weg für die Halbleiterherstellung.“

Pr. KWOK Hoi-Sing – Gründungsdirektor des State Key Laboratory of Advanced Displays and Optoelectronics Technologies an der HKUST

Weitere Fortschritte

Noch bessere UVC-LEDs

Das für diesen Erfolg verantwortliche Forschungsteam glaubt, dass es die Leistung seiner Mikro-LEDs ausgehend vom 320 x 140-Prototyp noch weiter steigern kann.

Sie sehen eine Möglichkeit, hochauflösende MicroLED-Bildschirme mit tiefer Ultraviolettstrahlung im 1K-, 2K- oder sogar 8K-Bereich zu entwickeln, mit denen sich Muster noch präziser in Silizium eingravieren ließen.

„Verglichen mit anderen repräsentativen Arbeiten zeichnet sich unsere Innovation durch eine kleinere Gerätegröße, niedrigere Antriebsspannung, höhere externe Quanteneffizienz, höhere optische Leistungsdichte, größere Array-Größe und höhere Bildschirmauflösung aus.

Dr. FENG Feng – Postdoktorand an der HKUST

Zusätzliche Unterstützungssysteme

Zwar benötigen UVC-Mikro-LEDs nicht die gleiche Linsenanordnung wie die klassische Lithografie mit Fotomasken, dennoch reicht die Auflösung der Forscher noch nicht aus.

Entsprechende Linsen- und Fokussierungssysteme, die über die Expertise dieser Forscher in der LED-Herstellung hinausgehen, könnten die maskenlose Photolithografie erheblich verbessern. Für die Halbleiterindustrie dürfte dies jedoch keine große technische Schwierigkeit darstellen, da es sich um bekannte und weit verbreitete Technologien handelt.

Unternehmen, die bereits DUV-Geräte herstellen, könnten daher problemlos ein neues Design mit maskenlosen UVC-Mikro-LEDs und Fokussierlinsen anstelle des herkömmlichen Designs entwickeln, das teure Fotomasken erfordert.

In Halbleiterlithografie investieren

Da die maskenlose Lithografie in der Halbleiterindustrie immer häufiger zum Einsatz kommt, wird dieser Technologiewandel wahrscheinlich einige Gewinner und einige Verlierer hervorbringen.

Auf die Produktion von Fotomasken spezialisierte Unternehmen wie Photronics, Inc. (PLAB ) werden wahrscheinlich darunter leiden.

Andererseits würden Unternehmen, die DUV-Lithografiemaschinen herstellen, von einem neuen maskenlosen Design profitieren. Durch den Wegfall eines teuren Verbrauchsmaterials würde der gesamte Lithografievorgang billiger werden. Billigere Halbleiter würden das Verkaufsvolumen steigern und damit die Nachfrage nach DUV-Maschinen erhöhen.

Sie können über viele Broker in Halbleiterunternehmen investieren. Hier finden Sie Securities.io, unsere Empfehlungen für die besten Broker in die USA, Kanada, Australien, Großbritannien, sowie viele andere Länder.

Oder, wenn Sie einen diversifizierteren Ansatz bevorzugen, können Sie in Halbleiter-ETFs wie den iShares Halbleiter-ETF (SOXX), hat das VanEck Semiconductor ETF (SMH)Oder das Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Sie können auch mehr über die Lieferkette für Halbleiterfertigungsausrüstung und wichtige Unternehmen in „Top 10 der Halbleiterausrüstungsaktien zur Fertigungsunterstützung".

Halbleiterlithografie-Unternehmen

ASML Holding NV

ASML Übersicht

Der niederländische Hersteller ASML ist nach Marktkapitalisierung der weltweit größte Halbleiterausrüster und auch in diesem Bereich führend und verfügt über ein Quasi-Monopol auf eine Schlüsseltechnologie namens EUV-Lithographie (Extreme UltraViolet).

EUV ermöglicht ultrakleine Knoten von bis zu 7 nm oder sogar 5 nm und 3 nm. Diese erweiterten Knotenebenen werden oft als notwendig für Anwendungen wie KI, maschinelles Lernen, 5G, AR/VR und erweiterte Cloud-Dienste angesehen.

EUV steht derzeit im Zentrum der Spannungen und Handelskriege zwischen China und den USA. Im Sommer 2022 haben die USA den Export von EUV-Maschinen nach China verboten. Es folgten Bemühungen von Huawei, eigene EUV-Lösungen zu entwickeln. mit einem im Dezember 2022 hinterlegten Patent.

Durch das De-facto-Monopol auf EUV aus China ist ASML ein sehr bekannter Hersteller von Chipausrüstung, ein Status, der durch den Druck der USA, den Export der Technologie an seinen Hauptkonkurrenten zu beschränken, noch verstärkt wird. Daher ist ASML ein wichtiger Lieferant für alle Chiphersteller, die die fortschrittlichsten Chips bauen möchten.

EUV ist der Nachfolger der vorherigen Technologie, die ebenfalls von ASML vertrieben wird. die DUV-Lithographie (Deep UltraViolet).

Quelle: ASML

EUV-Systeme machen nur einen Bruchteil der verkauften Maschinen aus, sind aber viel teurer und damit ein großer Teil des Umsatzes und Gewinns. Dennoch machen DUV-Systeme (ArFi, ArF und KrF) den Großteil des Unternehmensumsatzes aus (61 %).

Quelle: ASML

ASML ist zwar nicht der einzige Hersteller von DUV-Maschinen; auch Konkurrenten wie Canon oder Nikon sind aktiv, aber es ist das bei weitem „fokussierteste“ Unternehmen, während es sich bei seinen japanischen Konkurrenten um Konglomerate mit zahlreichen anderen Aktivitäten handelt.

DUV Maschinen & China

Aufgrund der Bemühungen der chinesischen Regierung, einheimische Lieferanten von Halbleiterausrüstung zu gewinnen, wächst im DUV-Bereich die chinesische Konkurrenz.

Angesichts der Tatsache, dass verbesserte UVC-Mikro-LEDs – die neueste Innovation zur realistischeren Herstellung maskenloser DUV-Strahlung – von Forschern aus Hongkong und Shenzhen stammen, sollten Anleger dies berücksichtigen, insbesondere da China 47 % des Umsatzes von ASML ausmacht.

Auch der Export von DUV-Maschinen nach China unterliegt US-Sanktionen. Diese stießen jedoch auf erheblichen Widerstand aus den Niederlanden, Die koreanische und sogar die taiwanesische Regierungs.

Amsterdam hat entschieden, dass ASML sich die erforderliche Lizenz für den Export seiner DUV-Maschinen an Mitglieder der Entity List des US Bureau of Industry Standards künftig nicht mehr von der US-Regierung, sondern von der niederländischen Regierung beschaffen muss.

Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die von den USA vorgeschriebenen Exportkontrollen künftig in die Lizenzierung durch Administratoren in den Niederlanden und nicht mehr in den Vereinigten Staaten fallen.

Der Diplomat

Schlussfolgerung zu ASML

Trotz potenzieller Risiken im Zusammenhang mit China ist ASML der (fast) unangefochtene Marktführer in der Lithografiebranche und strebt bereits die nächste Stufe der EUV-Technologie an: EUV-Systeme mit hoher numerischer Apertur (High Numerical Aperture).

Derzeit werden High-NA-EUV-Maschinen eingesetzt: bei Intel im Dezember 2023, bei TSMC ein Jahr später und bei Samsung bis 2025.

ASML wird ebenfalls im Sommer 2024 vorgestellt seine Pläne für das, was als nächstes kommt: „Hyper-NA“ EUV-Technologie“. Dieses Konzept befindet sich noch in der frühen Forschungsphase und würde erst nach 2030 zum Einsatz kommen.

Quelle: Technik-PowerUp

Insgesamt machen die Fortschritte von ASML im Bereich EUV und seine Expertise im Bereich DUV das Unternehmen zu einem wahrscheinlichen Gewinner in jedem Technologiekrieg in Bereichen, die zu seinem Fachwissen passen, wie etwa maskenloses DUV.

Es könnte jedoch zu einer Phase der Instabilität und eines erneuten Wettbewerbs mit chinesischen Herstellern kommen, die dem Land wahrscheinlich Marktanteile bei der Halbleiterproduktion abnehmen werden – vor allem mit Hilfe der chinesischen Regierung oder aufgrund der von den USA verhängten Sanktionen gegen die Verkäufe von ASML nach China.

Studienreferenz:

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). Hochleistungsfähige AlGaN-Mikro-Leuchtdiodendisplays für tiefes Ultraviolett. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}