Lithographie sans masque : une révolution pour les fabricants de puces

La lithographie, le cœur de la fabrication des semi-conducteurs

La production de semi-conducteurs est devenue l’une des activités industrielles les plus rentables et stratégiques du 21^st siècle, avec des entreprises comme Nvidia (NVDA ), Intel (INTC ), ou TSMC (TSM ) (suivez les liens pour un rapport dédié à chacune de ces entreprises) atteignant une capitalisation boursière de plusieurs milliards, voire de plusieurs milliers de milliards de dollars.

Presque toutes utilisent un procédé appelé photolithographie. Comme son nom l'indique, il utilise des faisceaux lumineux très puissants pour graver des plaquettes de silicium et les transformer en puces informatiques et autres composants semi-conducteurs.

Cela nécessite des machines très spécialisées dotées de nombreux objectifs ultra-précis, de moteurs et d’un système appelé « photomasque ».

Source: IP CopperPod

Les photomasques sont constitués de substrats en quartz ou en verre recouverts d'un film opaque sur lequel est gravé le motif du dispositif à fabriquer. Ce film sert essentiellement de modèle pour les puces qui seront gravées sur la plaquette de silicium, bien qu'il soit miniaturisé à une échelle beaucoup plus petite lors du processus de gravure.

La plupart des puces sont fabriquées à l'aide de machines de lithographie DUV (Deep Ultra-Violet), qui utilisent de puissants rayons UV pour graver le silicium. Les puces plus avancées utilisent EUV (Extreme Ultra-Violet), qui utilise une lumière UV encore plus puissante. Pour l'instant, le fabricant de semi-conducteurs ASML (ASML ) a le monopole de l'EUV.

Les machines DUV et EUV sont toutes deux grandes, coûteuses et gourmandes en énergie.

Une autre option émerge avec la lithographie sans masque. Cette technologie pourrait avoir fait un bond en avant grâce aux premières puces d'affichage microLED UV profond au monde, inventées par des chercheurs chinois.

Travaillant à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong et à l'Université des sciences et technologies du Sud à Shenzhen, ils ont publié leurs résultats dans Nature Photonics sous le titre «Écrans à diodes électroluminescentes micro-ultraviolettes profondes AlGaN haute puissance pour photolithographie sans masque¹ ».

Lithographie sans masque

L'intérêt principal de l'utilisation de masques photographiques pour la lithographie est qu'ils permettent à la machine DUV d'utiliser beaucoup de lumière, puis d'en concentrer une partie dans le processus de gravure. Cependant, cela conduit à une faible efficacité lumineuse, à une densité de puissance optique insuffisante et, en fin de compte, à une faible efficacité et à une consommation d'énergie élevée.

Une autre solution consisterait à utiliser une source de lumière UV plus précise, comme des micro-diodes électroluminescentes ultraviolettes (micro-LED) en nitrure de gallium et d'aluminium. Cependant, le développement de LED UVC suffisamment puissantes a jusqu'à présent été un problème.

Cela signifie que la lithographie sans masque n'a été utilisée que pour les substrats à faible résolution, tels que les circuits imprimés, au lieu des plaquettes de silicium de qualité puce.

La photolithographie sans masque réduirait considérablement le coût de fabrication des semi-conducteurs et offrirait davantage d'options de personnalisation. Globalement, cette technologie rendrait tout ce qui est électronique moins cher et plus facile à fabriquer.

De meilleures LED UVC

L'un des facteurs clés expliquant la sous-performance des micro-LED UVC est que les écarts d'alignement importants au cours des processus de fabrication des sous-unités LED posent des problèmes lors de la construction d'écrans micro-LED UVC grand format. Non seulement une lumière LED spécifique peut ne pas être uniforme en interne, mais différentes LED fabriquées en même temps afficheront des caractéristiques différentes.

Source: Nature Photonics

Les chercheurs ont amélioré la méthode de fabrication pour réussir à construire un réseau de micro-LED UVC uniforme de 160 × 90. Ce réseau présente une taille de pixel de 6 μm et un pas de 10 μm

Source: Nature Photonics

Rendre les LED UVC utiles

Les LED améliorées ont ensuite été intégrées à des circuits imprimés pour générer et projeter des motifs UV numériques.

Les systèmes résultants pourraient afficher des motifs et des dessins complexes sous une lumière UVC intense.

Source: Nature Photonics

En raison de la petite taille des LED, il n’est pas nécessaire d’utiliser des lentilles de démagnification complexes utilisées en photolithographie utilisant des photomasques.

Après une exposition de 5 secondes, une structure gravée en miroir se développe sur la surface du wafer. Celle-ci peut graver des motifs de tailles allant de 3 μm à 100 μm (micromètres).

Source: Nature Photonics

Cette puce d'affichage microLED UV profond intègre la source de lumière ultraviolette au motif du masque. Elle fournit une dose d'irradiation suffisante pour l'exposition de la résine photosensible en peu de temps, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour la fabrication de semi-conducteurs.

Pr. KWOK Hoi-Sing – Directeur fondateur du Laboratoire national des technologies d'affichage et d'optoélectronique avancées à HKUST

Progrès supplémentaires

Des LED UVC encore meilleures

L’équipe de recherche responsable de cette réalisation pense pouvoir pousser les performances de ses micro-LED encore plus loin que le prototype 320 × 140.

Ils voient une voie pour développer des écrans d'affichage microLED ultraviolets profonds haute résolution de 1k, 2k, voire 8k, qui graveraient des motifs sur du silicium avec encore plus de précision.

« Par rapport à d'autres travaux représentatifs, notre innovation se caractérise par une taille d'appareil plus petite, une tension de commande plus faible, une efficacité quantique externe plus élevée, une densité de puissance optique plus élevée, une taille de réseau plus grande et une résolution d'affichage plus élevée.

Dr FENG Feng – Chercheur postdoctoral à HKUST

Systèmes de soutien supplémentaires

Bien que les microLED UVC ne nécessitent pas la même gamme de lentilles que la lithographie classique utilisant des photomasques, la résolution des chercheurs n'est pas encore suffisante.

Ainsi, des systèmes de lentilles et de focalisation associés, dépassant le cadre de l'expertise de ces chercheurs en matière de fabrication de LED, pourraient améliorer considérablement la photolithographie sans masque. Cependant, cela ne devrait pas constituer une difficulté technique majeure pour l'industrie des semi-conducteurs, car il s'agit d'une technologie connue et couramment utilisée.

Ainsi, les entreprises qui produisent déjà des machines DUV pourraient facilement créer une nouvelle conception en utilisant des microLED UVC sans masque et des lentilles de focalisation au lieu de la conception traditionnelle nécessitant des photomasques coûteux.

Investir dans la lithographie des semi-conducteurs

Alors que la lithographie sans masque devient un élément de plus en plus courant de l’industrie des semi-conducteurs, ce changement technologique entraînera probablement des gagnants et des perdants.

Entreprises spécialisées dans la production de photomasques comme Photronics, Inc. (PLAB ) sont susceptibles d’en souffrir.

D'autre part, les entreprises produisant des machines de lithographie DUV bénéficieraient d'une nouvelle conception sans masque. En supprimant un consommable coûteux, l'ensemble de l'opération de lithographie serait moins cher. Des semi-conducteurs moins chers stimuleraient le volume des ventes, augmentant ainsi la demande de machines DUV.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux semi-conducteurs par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez les trouver ici, sur titres.io, nos recommandations des meilleurs courtiers en Etats-Unis, Canada, Australie, au Royaume-Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Ou, si vous préférez une approche plus diversifiée, vous pouvez investir dans des ETF liés aux semi-conducteurs comme le ETF iShares Semiconductor (SOXX), le ETF VanEck sur les semi-conducteurs (SMH)ou de la Fonds négocié en bourse (ETF) Global X Semiconductor (SEMI).

Vous pouvez également en apprendre davantage sur la chaîne d'approvisionnement des équipements de fabrication de semi-conducteurs et sur les principales entreprises dans «Top 10 des stocks d’équipements de semi-conducteurs pour le support à la fabrication ».

Société de lithographie de semi-conducteurs

ASML Holding NV

Présentation d'ASML

Premier fournisseur mondial d'équipements de semi-conducteurs en termes de capitalisation boursière, le néerlandais ASML est également le leader dans le domaine, avec un quasi-monopole sur une technologie clé appelée lithographie EUV (Extreme UltraViolet).

EUV permet des nœuds ultra-petits, jusqu'à 7 nm, voire 5 nm et 3 nm. Ces niveaux de nœuds avancés sont souvent considérés comme nécessaires pour des applications telles que l'IA, l'apprentissage automatique, la 5G, l'AR/VR et les services cloud avancés.

L’EUV est actuellement au centre des tensions et des guerres commerciales entre la Chine et les États-Unis. À l'été 2022, les États-Unis ont interdit l'exportation de machines EUV vers la Chine. Cela a été suivi par les efforts de Huawei pour développer ses propres solutions EUV, avec un brevet déposé en décembre 2022.

En détenant un monopole de facto sur l'EUV en dehors de la Chine, ASML est un fabricant d'équipements de puces très important, un statut renforcé par la pression américaine visant à restreindre l'exportation de la technologie vers son principal rival. En conséquence, ASML est un fournisseur crucial pour tous les fabricants de puces qui cherchent à fabriquer les puces les plus avancées.

EUV est le successeur de la technologie précédente, également vendue par ASML, la lithographie DUV (Deep UltraViolet).

Source: ASML

Les systèmes EUV ne représentent qu'une fraction des machines vendues, mais à un prix beaucoup plus élevé, donc une grande partie des revenus et des bénéfices. Pourtant, les systèmes DUV (ArFi, ArF et KrF) représentent la majorité des ventes de l'entreprise (61 %).

Source: ASML

ASML n’est pas le seul fabricant de machines DUV, avec des concurrents comme Canon ou Nikon également actifs, mais c’est de loin l’entreprise la plus « focalisée », tandis que ses concurrents japonais sont des conglomérats avec de multiples autres activités.

Machines DUV et Chine

La concurrence chinoise s'intensifie dans le secteur des DUV, en raison de la pression exercée par le gouvernement chinois sur les fournisseurs nationaux d'équipements semi-conducteurs.

Considérant que les microLED UVC améliorées, la dernière innovation pour rendre les DUV sans masque plus réalistes, proviennent de chercheurs de Hong Kong et de Shenzhen, c'est quelque chose que les investisseurs devraient prendre en compte, d'autant plus que la Chine représente 47 % des revenus d'ASML.

Les exportations de machines DUV vers la Chine ont également été soumises à des sanctions américaines, mais ceux-ci ont rencontré une résistance importante des Hollandais, Le gouvernement coréen et même taïwanaiss.

Amsterdam a décidé qu'à partir de maintenant, ASML se procurera la licence nécessaire pour exporter ses machines DUV vers les membres figurant sur la liste des entités du Bureau of Industry Standards des États-Unis auprès du gouvernement néerlandais plutôt qu'auprès du gouvernement américain.

Cela signifie essentiellement que les contrôles à l’exportation imposés par les États-Unis seront du ressort des administrateurs des Pays-Bas plutôt que des États-Unis.

Le diplomate

Conclusion sur ASML

Malgré les risques potentiels liés à la Chine, ASML est le leader (presque) incontesté de l'industrie de la lithographie et passe déjà au niveau supérieur de la technologie EUV : les systèmes EUV à haute ouverture numérique (NA).

Des machines EUV à haute ouverture numérique sont désormais en cours de déploiement : chez Intel en décembre 2023, chez TSMC un an plus tard et chez Samsung d'ici 2025.

ASML également dévoilé à l'été 2024 ses projets pour la suite : la technologie EUV « Hyper-NA ». Ce concept, encore en phase de recherche préliminaire, ne serait pas déployé avant 2030.

Source: Mise sous tension technologique

Dans l’ensemble, les avancées d’ASML en matière d’EUV et son expertise en matière de DUV en font un vainqueur probable dans toute guerre technologique dans des domaines liés à son expertise, comme le DUV sans masque.

Le pays pourrait toutefois connaître une période d'instabilité et de concurrence renouvelée avec des fabricants chinois susceptibles de prendre des parts de marché dans la production de semi-conducteurs du pays, notamment s'ils sont aidés par le gouvernement chinois ou en raison des sanctions ordonnées par les États-Unis concernant les ventes d'ASML à la Chine.

Référence de l'étude :

^{1. Zhang, H., Li, D., Wang, Y., et al. (2024). Écrans à diodes électroluminescentes micro-ultraviolettes profondes AlGaN haute puissance. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7}