Die Lithografie-Technologie steigt von ihrem “Götterstuhl” ab.

„Die Lithografie wird nicht mehr so wichtig sein.“ Sobald diese Worte gefallen waren, lösten sie heftige Kontroversen in der Branche aus. Diese Aussage stammt von einem High-Level-Manager von Intel.

Die Lithografieanlage wird seit jeher als das Herzstück der Halbleiterfertigung angesehen. Doch die kürzlich von mehreren Chip-Giganten freigegebenen Informationen deuten darauf hin, dass die Lithografie-Technologie in Zukunft möglicherweise nicht mehr die einzige Option ist. Selbst die schwer zu beschaffende High-NA EUV-Lithografieanlage befindet sich oft in einem „inaktiven“ Zustand.

01 Die High-NA EUV-Lithografieanlage steht vor einem Absatzproblem

Im vergangenen Jahr war die High-NA EUV-Lithografieanlage sehr beliebt.

Nach Angaben auf der offiziellen Website von ASML wurden zwei TWINSCAN EXE:5000-Hochnumerische-Apertur-Lithographiesysteme montiert. Eines davon wurde in Zusammenarbeit zwischen ASM und imec entwickelt und wird 2024 im gemeinsamen Labor von ASML und imec installiert. Die Massenproduktion ist für 2025 geplant. Das andere wurde von Intel 2018 bestellt. Im Dezember 2023 hat ASML offiziell das erste High-NA EUV-Lithographiesystem – die ersten Module des TWINSCAN EXE:5000 – an Intel ausgeliefert.

Anfang 2024 wurden die Hauptkomponenten dieser Lithografieanlage nach Intel geliefert. Im November kündigte TSMC an, bis Jahresende die neueste High-NA EUV-Lithografieanlage von ASML zu erhalten. Im März 2025 führte Samsung in seinem Werk in Hwaseong, Südkorea, die erste von ASML hergestellte TWINSCAN EXE:5000 ein und wurde damit nach Intel und TSMC der dritte Halbleiterhersteller, der diese Anlage erwarb. Samsung hat außerdem beschlossen, diese Technologie in der zukünftigen DRAM-Produktion einzusetzen. Auch der Konkurrent SK Hynix hat einen solchen Plan.

Dennoch haben die Chip-Giganten in der Praxis Abstand von der High-NA EUV-Lithografieanlage genommen.

In den früheren Plänen war Intel möglicherweise das Unternehmen, das die High-NA EUV-Lithografieanlage am frühesten einsetzen würde.

Kürzlich gab Intel bekannt, dass die ersten beiden Spitzen-Lithografieanlagen von ASML in seinen Fabriken „in Betrieb“ sind. Die Daten zeigen, dass sie zuverlässiger sind als die früheren Modelle. Steve Carson, leitender Chefingenieur von Intel, erklärte, dass Intel mit der High-NA EUV-Lithografieanlage von ASML in einem Quartal 30.000 Wafer produzieren kann. Diese großen Siliziumscheiben können Tausende von Rechenchips herstellen.

Intel plant, die High-NA EUV-Anlage zur Entwicklung der Intel 18A (1,8 nm)-Herstellungstechnologie zu nutzen. Diese Technologie soll später in diesem Jahr zusammen mit neuen PC-Chips in Massenproduktion gehen. Das Unternehmen hat angekündigt, die High-NA EUV-Anlage für die vollständige Produktion der nächsten Generation der Herstellungstechnologie Intel 14A (1,4 nm) einzusetzen, hat jedoch das Datum für die Massenproduktion dieser Technologie noch nicht bekannt gegeben.

TSMC: Die Massenanwendung der High-NA EUV erfordert mindestens noch 5 Jahre

TSMC hat bei der High-NA EUV-Lithografieanlage immer eine vernünftige Haltung eingenommen.

Früher hat Chang Hsiao-chiang, leitender stellvertretender Generaldirektor für Geschäftsentwicklung bei TSMC, erklärt, dass er zwar von der Leistung der High-NA EUV beeindruckt sei, aber der Preis der Anlage über 3,5 Milliarden Euro (3,78 Milliarden US-Dollar) liege. Die derzeitigen Standard-EUV-Lithografieanlagen können die Produktion von TSMCs Spitzenprozessen bis 2026 unterstützen. Auch der Spitzenprozess A16 von TSMC wird weiterhin mit der Standard-EUV-Lithografieanlage hergestellt.

Bei der jüngsten TSMC Technology Forum Europastation in Amsterdam, den Niederlanden, hat Chang Hsiao-chiang erneut seine langfristige Haltung gegenüber der High-NA EUV-Lithografieanlage betont. Das Unternehmen wird die High-NA EUV-Lithografieanlage weder für den A16- (1,6 nm-Klasse) noch für den A14-Prozess (1,4 nm-Klasse) einsetzen.

Es ist bekannt, dass das Technikteam von TSMC eine Methode gefunden hat, um Chips am A14-Knotenpunkt herzustellen, ohne die High-NA EUV-Lithografieanlage zu verwenden. Im Vergleich zur Auflösung von 13,5 nm des Standard-EUV-Systems mit niedriger numerischer Apertur kann dieses Werkzeug eine Auflösung von 8 nm bieten.

Früher hatte TSMC angedeutet, die High-NA EUV-Mikrolithografieanlage für die Produktion von A10-Prozesschips in Betracht zu ziehen, was etwa zwei Generationen vor der geplanten 2-nm-Technologie Ende 2025 liegen würde. Dies bedeutet auch, dass erst nach 2030 eine Massenproduktion dieser Maschinen zu erwarten ist.

Samsung verschiebt den Einsatzplan für die High-NA EUV und beginnt die Fertigung bei 1,4 nm

Obwohl Samsung die High-NA EUV-Lithografieanlage eingeführt hat, hat das Unternehmen sich nicht beeilt, sie in Betrieb zu nehmen.

Es ist bekannt, dass sowohl Samsung als auch sein Konkurrent SK Hynix beschlossen haben, den Einstieg in die Verwendung der High-NA EUV-Technologie in der DRAM-Produktion zu verschieben. Der Grund hierfür ist der hohe Preis der Ausrüstung und die bevorstehende Änderung der DRAM-Architektur, was die Speicherhersteller bei der High-NA EUV-Technologie vorsichtiger werden lässt.

Nach den Plänen von Samsung und SK Hynix wird die DRAM-Architektur schrittweise entwickelt – von 6F² auf 4F² und schließlich auf 3D DRAM. Die 4F²-DRAMs, die vor 2030 in Massenproduktion gehen sollen, erfordern die EUV-Technologie und es wird erwartet, dass die High-NA EUV-Werkzeuge eingesetzt werden. Im Gegensatz zum herkömmlichen DRAM erhöht der 3D DRAM die Transistordichte durch vertikales Stapeln und erfordert nicht unbedingt die EUV-Technologie, weder die normale EUV noch die High-NA EUV-Werkzeuge. Somit entfällt die Notwendigkeit für die EUV-Technologie. Dies bedeutet, dass selbst wenn man in die High-NA EUV-Lithografieanlage investiert, das Zeitfenster für die tatsächliche Einbindung in die DRAM-Produktion möglicherweise relativ kurz ist.

Samsung wird auch die High-NA EUV-Technologie in die Produktion von Logikchips einführen und evaluiert derzeit die Verwendung in der 1,4-nm-Technologie. Das Ziel ist die Massenproduktion 2027.

02 Die Ätztechnologie wird zum neuen Fokus

Bei der Halbleiterfertigung ist das Ätzen der zweitwichtigste Kernprozess nach der Lithografie und bestimmt direkt die Leistung, die Ausbeute und die Integrationsdichte der Chips. Mit der Entwicklung der fortschrittlichen Prozesse hin zu 3 nm und darunter hat der Anteil der Ätzschritte von 10 % bei herkömmlichen Prozessen auf über 50 % gestiegen (beispielsweise bei 5-nm-FinFETs beträgt die Anzahl der Ätzschritte über 150).

Nach den in der Investmentforschungplattform Tegus veröffentlichten Diskussionen hat ein anonymer Intel-Direktor erklärt: Die zukünftige Transistordesign wird die Abhängigkeit von fortschrittlichen Lithografieanlagen verringern und stattdessen die zentrale Rolle der Ätztechnologie stärken.

Er ist der Ansicht, dass mit der Entwicklung neuer Strukturen wie der Gate-All-Around-Feldeffekttransistoren (GAAFET) und der komplementären Feldeffekttransistoren (CFET) die Gesamtnachfrage nach der Lithografie in der Herstellung von Spitzenchips abnehmen wird.

Im Lithografieprozess übertragen die ASML EUV- und High-NA-Lithografieanlagen das Schaltungsdesign auf den Wafer. Im Nachbearbeitungsprozess werden Materialien durch das Abscheidungsprozess hinzugefügt und dann durch den Ätzprozess selektiv entfernt, um die Transistorstruktur zu bilden.

Der Manager betonte, dass die dreidimensionalen Transistorstrukturen wie GAAFET und CFET die Anforderung haben, dass das Gate „von allen Seiten umgeben“ werden muss, was das laterale Entfernen von überschüssigem Material zum Schlüssel macht. „Die Hersteller werden sich stärker darauf konzentrieren, Material durch den Ätzprozess zu entfernen, anstatt die Verarbeitungszeit des Wafers in der Lithografieanlage zu verlängern, um die Merkmalsgröße zu verkleinern.“

Einfach ausgedrückt, mit der zunehmenden Wichtigkeit der lateralen Richtung in der Chipherstellung wird die Wichtigkeit der High-NA EUV im Vergleich zur EUV geringer.

Zur gleichen Zeit werden Chip-Ätzunternehmen wie Lam eine größere Rolle spielen.

Heißt das, dass die Lithografieanlage nicht mehr wichtig ist? Nein.

Die zukünftige Chipherstellung wird die Abhängigkeit von ASMLs High-NA EUV-Lithografieanlage verringern, aber die Nachfrage der Branche nach dieser Anlage ist immer noch sehr groß.

Der Manager sagte: „In der Nähe des 7-nm-Technologieknotens hat die EUV-Lithografie eine Schlüsselrolle gespielt. In Zukunft wird diese Nachfrage abnehmen. Der Grund hierfür liegt nicht nur darin, dass wir nach geschickten Methoden zur seitlichen Materialentfernung und -manipulation suchen, sondern auch an der Wafer-zu-Wafer-Technologie. Die Hersteller von Speicherchips und Logikchips versuchen nicht mehr, alles auf einem einzigen Wafer zu verdichten und damit die Herstellungsdifficultät zu erhöhen, sondern beginnen, „Raum“ auf der Rückseite des Wafers oder zwischen den Wafern zu suchen.

Das Ergebnis davon ist, dass die Abhängigkeit von der minimalen Merkmalsgröße verringert wird – schließlich kann sowohl in der vertikalen Dimension als auch auf einer gegebenen Ebene eine hohe Dichteintegration erreicht werden. Man kann es sich wie das Bauen von „Wolkenkratzern“ statt dem bloßen Ausdehnen auf der Ebene vorstellen. Beim Bau von „Wolkenkratzern“ besteht immer noch eine Nachfrage nach der Lithografie, aber sie ist nicht so entscheidend wie beim Bau auf der Ebene (wo man auf kleine Merkmalsgrößen angewiesen ist). Wir versuchen nicht nur, in einer Richtung zu komprimieren, sondern auch, den Raum in zwei Richtungen auszudehnen.“

03 Wie weit kann die ASML EUV noch gehen?

Sobald diese Ansichten bekannt wurden, hat das Interesse der Branche an ASML erneut zugenommen.

Die Branche konzentriert sich hauptsächlich auf drei Fragen: Erstens die jährliche Auslieferung von Lithografieanlagen von ASML; zweitens den Fortschritt der nächsten Generation von Produkten; drittens wie weit die EUV-Technologie von ASML noch gehen kann?

Bezüglich der ersten Frage zeigt das Jahresbericht von ASML 2024, dass das Unternehmen im ganzen Jahr 418 Lithografieanlagen verkauft hat, darunter 44 EUV-Lithografieanlagen und 374 DUV-Lithografieanlagen. Außerdem wurden 165 Mess- und Inspektionssysteme verkauft.

In Bezug auf die Einnahmequellen hat das chinesische Festland 2024 10,195 Milliarden Euro (etwa 79,771 Milliarden Yuan) an Einnahmen für ASML beigetragen, was einen Anteil von 36,1 % darstellt und weit vorne liegt.

Als Zweitplatzierter folgt Südkorea mit 6,409 Milliarden Euro (22,7 % Anteil), gefolgt von den Vereinigten Staaten mit 4,522 Milliarden Euro (16,0 % Anteil), Taiwan (China) mit 4,354 Milliarden Euro (15,4 % Anteil), Europa mit 1,3 Milliarden Euro (4,6 % Anteil) und Japan mit 1,156 Milliarden Euro (4,1 % Anteil).

ASML hat angegeben, dass der mangelnde Marktbedarf und die unzureichende Vorbereitung der Waferfabriken dazu geführt haben, dass die Nachfrage der Kunden nach EUV-Lithografieanlagen ebenfalls verschoben wurde. Aber die Nachfrage nach DVU-Lithografieanlagen übersteigt immer noch die Lieferkapazität, insbesondere die Nachfrage aus dem chinesischen Markt ist sehr stark.

Bezüglich der zweiten Frage, während die High-NA EUV erfolgreich eingeführt wurde, forschen ASML und Carl Zeiss auch an einem neuen EUV-Lithographiesystem mit einer numerischen Apertur von 0,75 NA, dem Hyper NA EUV.

Jos Benschop hat erklärt, dass das Objektiv des Hyper NA EUV-Lithographiesystems nicht unbedingt größer sein muss. „Man kann auch den letzten Spiegel näher an den Chip bringen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Der Nachteil ist, dass mehr Licht zurückreflektiert wird – so ist es bei Spiegeln.“

Das Hyper NA EUV hat auch einen Vorteil: Eine größere numerische Apertur kann mehr Licht verarbeiten, ähnlich wie man einen Flaschenhals mit großem Durchmesser schneller entleeren kann als einen mit kleinem Durchmesser. Daher kann das Hyper NA EUV nicht nur klarere Linien drucken, sondern auch schneller drucken.

Nach dem von Martin van den Brink früher veröffentlichten Roadmap für die Logikbauelemente von ASML in den nächsten 15 Jahren kann die derzeitige Standard-EUV-Lithografieanlage mit 0,3 NA die Massenproduktion von 2 nm bis 2025 unterstützen. Danach muss die Mehrfachbelichtungstechnik eingesetzt werden. Aber die Unterstützung der Massenproduktion von 1,4 nm bis 2027 wird die Grenze sein.

Bezüglich der dritten Frage, laut Daten von Research and Markets und Future Market Insights kontrolliert ASML 75 % bis 80 % des globalen EUV-Lithografiemarktes. Seine Technologie ist unübertroffen. ASML liefert Produkte an alle wichtigen Chiphersteller und hat praktisch ein Monopol auf dem EUV-Systembereich, der fast ein Viertel seiner gesamten Einnahmen beiträgt.

ASMLs EUV-Technologie hat die Chipindustrie neu gestaltet und wird wahrscheinlich in den nächsten mindestens 10 bis 20 Jahren eine Schlüsselrolle behalten.

Natürlich muss ASML in diesem Prozess auch vor Herausforderungen von verschiedenen Seiten der Branche stehen.

04 Neue Lithografie-Technologien erscheinen nacheinander

Darüber hinaus verwendet die derzeitige EUV-Lithografieanlage von ASML die sogenannte Laserplasma-EUV-Lichtquelle (EUV-LPP). Mit der fortschreitenden Entwicklung der Halbleiterprozesse wird die EUV-LPP auch mehr Herausforderungen zu bewältigen haben