Der Gegenangriff des Verlierers im Bereich der Lithographieanlagen

Im Halbleiterbereich ist die Lithografieanlage wie das "Juwel in der Krone der Industrie". Ihr Technologiestand bestimmt direkt die Grenze der Chip-Herstellungsprozesse. Heute ist bei Erwähnung dieser Kernausrüstung der Name ASML fast zum Synonym für die Branche geworden. Dieses niederländische Unternehmen hat dank seiner absoluten Kontrolle über den Bereich der hochwertigen Lithografieanlagen die globale Marktführerschaft fest in der Hand. Insbesondere im Bereich der EUV-Lithografieanlagen hat es eine Monopolstellung erreicht und ist zu einem begehrten Partner für die globalen Chipriesen geworden.

Allerdings war die Landschaft der Lithografieanlagenindustrie nicht von Anfang an so.

Wenn man in die Vergangenheit blickt, haben die beiden japanischen Unternehmen Canon und Nikon einst große Erfolge in diesem Bereich erzielt. In den 1980er und 1990er Jahren, als die Halbleiterindustrie in die Ära der Lithografie-Technologie eintrat, belegten Canon und Nikon dank technologischer Durchbrüche im Bereich der Stepper-Lithografieanlagen und Scanner-Lithografieanlagen einen Großteil des globalen Marktes und waren zu der Zeit unangefochtene Branchenriesen. Damals war ASML noch ein Nachzügler, der sich schwer durchsetzen musste, um die Technologie einzuholen.

Allerdings hängt die dramatische Veränderung der Branchenlandschaft oft eng mit der Wahl der Technologiestrategie zusammen.

Bei der Konzentration auf die Immersions-Lithografie-Technologie mit einer Wellenlänge von 157 nm und an der entscheidenden Stelle des Übergangs von DUV (Tiefultraviolett) zu EUV (Extremultraviolett) gingen Canon und Nikon aufgrund ihrer Fehleinschätzung der Technologiestrategie allmählich hinterher. ASML hingegen nutzte die Gelegenheit, integrierte globale Technologieresourcen und setzte auf die EUV-Strategie, um schrittweise die Vorgänger zu überholen und schließlich die heutige Dominanz zu erlangen.

Die einstigen Branchenkönige haben ihre Glorie in der Woge der technologischen Iteration verloren und sind zu "Verlierern" auf dem Lithografie-Sektor geworden. Wenn man sich die heutige globale Marktlage der Lithografieanlagen ansieht, hat ASML die Spitze im Bereich der hochwertigen Lithografieanlagen, während Canon und Nikon einen Teil des Marktes für mittel- und niedrigwertige Lithografieausrüstungen wie KrF- und i-Line-Anlagen belegen.

Aber die Geschichte der Halbleiterindustrie endet nie mit einem kurzfristigen Erfolg oder Misserfolg. Selbst in der heutigen Zeit, in der ASML die Spitze hat, sind Canon, Nikon und andere ehemalige Lithografie-Riesen nicht in den Hintergrund getreten. Sie haben vielleicht die Mittelbühne des hochwertigen Marktes verlassen, aber sie haben nie aufgehört, die Lithografie-Technologie zu erforschen.

Angesichts der neuen Branchenanforderungen und technologischen Möglichkeiten suchen diese "Verlierer" auf ihre Weise nach einem Weg, um die Stagnation zu überwinden. Mit kontinuierlichen Forschungs- und Entwicklungsinvestitionen und Versuchen in neue Technologierichtungen warten sie darauf, in der sich wandelnden Branchenlandschaft wieder ihre eigene Position zu finden. Und ihre Forschungen legen auch neue Grundlagen für die Zukunft der Lithografieanlagenindustrie.

Die Verlierer der Lithografieanlagen suchen nach neuen Ideen

Seit ASML mit der EUV-Technologie die Dominanz im Bereich der fortschrittlichen Lithografieanlagen errungen hat, haben die anderen Hersteller, obwohl sie auf dem hochwertigen Markt gescheitert sind, nie aufgehört, nach neuen Lösungen zu suchen, um ihre Position in der Lithografie-Technologie neu zu formen.

Canons Suche nach einer Lösung

Canons Einsatz auf die Nanoimprint-Technologie

Bei der Technologieentwicklung hat Canon einen anderen Weg gewählt und setzt auf die Nanoimprint-Technologie (NIL) als Kernentwicklungsrichtung.

Diese Technologie unterscheidet sich grundlegend von der herkömmlichen Lithografie-Technologie. Bei der herkömmlichen Lithografie wird das Schaltkreismuster durch optische Projektion auf einen mit Photolack beschichteten Wafer übertragen. Canons Nanoimprint-Technologie funktioniert eher wie das "Aufdrücken eines Stempels". Das Maskenmuster mit dem Halbleiterschaltkreismuster wird direkt auf den Wafer gedrückt, und in einem einzigen Druckvorgang können komplexe zweidimensionale oder sogar dreidimensionale Schaltkreise erzeugt werden.

Im Oktober 2023 hat Canon die Nanoimprint-Ausrüstung FPA - 1200NZ2C vorgestellt und hat es geschafft, ein Linienmuster mit einer Mindestbreite von 14 Nanometern zu erzeugen. Dieser Erfolg entspricht den Anforderungen des 5-Nanometer-Knotens für die heutige fortschrittlichste Logik-Halbleiterproduktion. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Maskentechnologie behauptet Canon, dass es möglich sein könnte, die Mindestlinienbreite auf 10 Nanometer zu reduzieren, was bedeutet, dass es sich dem ambitionierten 2-Nanometer-Knoten nähert. Diese Erfolge zeigen die hervorragende Präzision und Innovation der Nanoimprint-Technologie und markieren auch den tatsächlichen Einstieg der Nanoimprint-Technologie in den Bereich der fortschrittlichen Chipherstellung.

Um die Wettbewerbsfähigkeit der Nanoimprint-Technologie zu verbessern, hat Canon seine technologischen Stärken in den Bereichen Optik, Materialwissenschaft und anderen integriert. Seine langjährig angesammelte Präzisionsoptik-Technologie wird zur Optimierung der Ausrichtung von Maske und Wafer eingesetzt, um sicherzustellen, dass das Schaltkreismuster während des Druckvorgangs präzise übertragen wird.

Bei der Materialforschung und -entwicklung konzentriert sich Canon auf die Entwicklung von Photolacken und Maskenmaterialien, die für die Nanoimprint-Technologie geeignet sind, um die Qualität der Musterwiedergabe und die Haltbarkeit der Ausrüstung zu verbessern. Beispielsweise hat Canon durch die Verbesserung der Rezeptur des Photolacks erreicht, dass das Muster während des Druckvorgangs besser wiedergegeben wird und Probleme wie Musterverzerrungen reduziert werden, wodurch die Ausbeute der Chipherstellung erhöht wird.

Schon im Jahr 2014 hat Canon das Unternehmen Molecular Imprints erworben, das sich auf die Grundlagenforschung der Nanoimprint-Technologie spezialisiert hat. Bevor Canon die Übernahme absolvierte, arbeitete Molecular Imprints daran, die 32-nm-Logik-Knoten-Herstellung mit der Nanoimprint-Technologie zu realisieren, aber die Fortschritte wurden aufgrund von Problemen wie Produktivität, Finanzierung und Ausbeute behindert. Nach der Übernahme hat Canon seine Linsentechnologie mit der Belichtungstechnologie von Molecular Imprints geschickt kombiniert und so den ersten Rahmen für die Forschung und Entwicklung der Nanoimprint-Technologie aufgebaut, was den Forschungs- und Entwicklungsfortschritt der Nanoimprint-Technologie beschleunigt hat.

Darüber hinaus war die Zusammenarbeit mit dem japanischen Speicherchiphersteller Kioxia eine wichtige Strategie von Canon im Bereich der Nanoimprint-Technologie. In den letzten zehn Jahren haben beide Seiten große Ressourcen investiert, um die praktische Anwendung der Nanoimprint-Technologie in der Chipherstellung zu forschen und zu optimieren. Im Verlauf der Zusammenarbeit hat Kioxia 2021 festgestellt, dass die Nanoimprint-Technologie den Energieverbrauch erheblich reduzieren und die Gerätekosten senken kann, was sich in der Praxis bewährt hat.

Außerdem ist die DNP, ein Hersteller von Halbleiterbauteilen, in der Produktion von Schlüsselkomponenten wie Masken sehr erfahren. Canon arbeitet mit der DNP zusammen, um die Probleme bei der Maskentechnologie in der Nanoimprint-Technologie zu lösen. Die Maske ist ein entscheidender Bestandteil der Nanoimprint-Technologie, und ihre Qualität hat einen direkten Einfluss auf die Präzision der Musterübertragung und die Ausbeute der Chipherstellung. Canon nutzt die Stärken der DNP in Bezug auf Material und Herstellungsprozess, um die Maskentechnologie ständig zu verbessern, damit die Nanoimprint-Ausrüstung feinere Muster erzeugen kann. Beispielsweise hat die gemeinsame Entwicklung neuer Maskenmaterialien die Haltbarkeit und die Wiedergabegenauigkeit der Maske verbessert und Probleme wie Musterverzerrungen effektiv reduziert, was die Qualität der Chipherstellung gewährleistet.

Diese Reihe von Industriekooperationen ist eine wichtige Strategie von Canon, um neue Wege zu erkunden.

Im Jahr 2024 hat Canon erfolgreich die FPA - 1200NZ2C - Ausrüstung an das Texas Institute of Electronics (TIE), ein Halbleiterbund in Texas, USA, geliefert. Die Mitglieder des TIE umfassen globale führende Chipunternehmen wie Intel, NXP und Samsung, sowie öffentliche Einrichtungen und akademische Organisationen.

Dieser Meilenstein markiert einen wichtigen Schritt von Canons Nanoimprint-Lithografie-Technologie in der Halbleiterherstellung. Durch die Zusammenarbeit mit diesen Institutionen kann Canon mehr Rückmeldungen zu den tatsächlichen Produktionsanforderungen erhalten und so die Verbesserung und die Anwendungserweiterung der Nanoimprint-Technologie vorantreiben.

Die Nanoimprint-Technologie: Chancen und Herausforderungen

Im Vergleich zur EUV-Lithografie bietet die Nanoimprint-Technologie viele signifikante Vorteile und bringt neue Entwicklungsansätze und Möglichkeiten für die Chipherstellungsindustrie.

Zunächst in Bezug auf die Kosten: Die Nanoimprint-Technologie hat einen absoluten Vorteil. Die EUV-Lithografieanlage enthält ein ultrapräzises optisches System, eine EUV-Lichtquelle und andere komplexe und teure Komponenten, was die Kosten für eine einzelne Anlage auf mehrere hundert Millionen US-Dollar steigen lässt. Wenn man die anschließenden Wartungs- und Upgradekosten berücksichtigt, sind die Kosten noch höher. Bei der Nanoimprint-Ausrüstung hingegen ist es nicht erforderlich, ein so großes und komplexes optisches Projektionssystem wie bei der EUV-Lithografieanlage aufzubauen, und es ist auch keine teure Lichtquelle zur Erzeugung von EUV-Licht erforderlich. Canon-Chef Fujio Mitarai hat einmal erwähnt, dass die Kosten für die Nanoimprint-Ausrüstung um eine Größenordnung niedriger sind als die der EUV-Lithografieanlage.

Beim Energieverbrauch: Laut den Forschungsdaten von Kioxia ist der Prozess der Nanoimprint-Technologie einfach, und der Energieverbrauch der Ausrüstung beträgt nur 10 % des der EUV-Technologie. Die Investitionskosten für die Geräte können auf 40 % der EUV-Ausrüstung reduziert werden. Für die Chiphersteller bedeutet dies, dass bei der Massenproduktion von Chips die Anschaffungskosten für die Ausrüstung und die langfristigen Betriebskosten erheblich gesenkt werden können. Insbesondere für kleine Halbleiterhersteller bietet die niedrige Schwelle für die Geräteinvestition und den Betrieb die Möglichkeit, in den Bereich der fortschrittlichen Chipherstellung einzusteigen.

Wenn man die technischen Prinzipien und den Prozess analysiert: Die EUV-Lithografie basiert auf dem Prinzip der Projektionsabbildung von EUV-Licht. Der Prozess der Übertragung des Schaltkreismusters von der Maske auf den mit Photolack beschichteten Wafer ist durch physikalische Gesetze wie die optische Beugungsgrenze eingeschränkt. Um eine höhere Auflösung zu erreichen, muss das optische System ständig optimiert und die Leistung der Lichtquelle verbessert werden, was eine enorme Forschungs- und Entwicklungsarbeit erfordert. Die Nanoimprint-Technologie ist dagegen völlig anders. Sie arbeitet ähnlich wie das "Aufdrücken eines Stempels", indem das zuvor mit dem Halbleiterschaltkreismuster versehene Maskenmuster direkt auf die Photolackschicht auf dem Wafer gedrückt wird. In einem einzigen Druckvorgang können komplexe zweidimensionale oder sogar dreidimensionale Schaltkreise erzeugt werden. Diese Methode umgeht die Beugungsbeschränkung in der Lithografie auf physikalischer Ebene und kann theoretisch eine höhere Auflösung der Musterübertragung erreichen.

Beispielsweise kann Canons Nanoimprint-Gerät FPA - 1200NZ2C ein Linienmuster mit einer Mindestbreite von 14 Nanometern erzeugen. Mit der Verbesserung der Maskentechnologie ist es möglich, auf 10 Nanometer zu kommen, was für die Herstellung von 5-nm-Logik-Halbleitern ausreicht und bereits die Präzisionsanforderungen des Bereichs der fortschrittlichen Chipherstellung erfüllt. Darüber hinaus erfordert die Nanoimprint-Technologie keine mehrmalige Belichtung, was die Akkumulationsfehler durch mehrmalige Belichtung reduziert und die Präzision und Konsistenz der Musterwiedergabe verbessert. Sie hat also ein großes Potenzial, die Ausbeute der Chips zu erhöhen.

Beim Marktansatz: Canon hat den Hauptmarkt von ASML vermieden und sich auf bestimmte Nischenmärkte konzentriert, um schrittweise einzudringen. Die EUV-Lithografieanlagen werden hauptsächlich in der Herstellung von Chips mit fortschrittlichen Prozessen eingesetzt und dienen dem Hoch-End-Markt, der hohe Anforderungen an die Leistung und Integrationsdichte der Chips stellt, wie z. B. bei Hochleistungsrechnerchips, Smartphone-Chips und AI-Chips. Allerdings beschränken die hohen Kosten und die komplexe Technologie ihren Anwendungsbereich. Die Nanoimprint-Technologie ist aufgrund ihrer Kostenvorteile in Nischenmärkten, die kostensensitiv sind und eine gewisse Prozesspräzision erfordern, wie z. B. in der Herstellung von 3D-NAND-Flash-Speicherchips, sehr wettbewerbsfähig.

Im Bereich der 3D-NAND-Chips sind die Anforderungen an die Prozesspräzision der Chips zwar hoch, aber im Vergleich zu den fortschrittlichsten Logik-Chipprozessen gibt es noch gewisse Unterschiede, und es wird stärker auf die Kosten geachtet. Die Nanoimprint-Ausrüstung kann die Präzisionsanforderungen erfüllen und gleichzeitig die Herstellungskosten erheblich senken. Kioxia arbeitet intensiv mit Canon zusammen, um die Anwendung der Nanoimprint-Technologie in der Massenproduktion von 3D-NAND-Flash-Speicherchips voranzutreiben. Indem Canon sich zunächst in diesem Nischenmarkt etabliert, kann es praktische Erfahrungen sammeln, die Technologie verbessern und einen guten Ruf aufbauen, um sich dann für die Erschließung komplexerer Chipherstellungsmärkte vorzubereiten.

Darüber hinaus profitieren auch die Bereiche der optischen Geräte und der Biomedizin von der Entwicklung der Nanoimprint-Technologie. Beispielsweise wird die NIL-Technologie zur Massenproduktion von Mikro- und Nanostrukturgittern in AR/VR-Brillen eingesetzt. Der Durchbruch bei der großflächigen Nanoimprint-Technologie ermöglicht es, komplexe Linsen- oder Prismenstrukturen präzise auf Substraten wie Glas oder Folien zu drucken, was eine starke Unterstützung für die Entwicklung der hochpräzisen Anzeigetechnologie bietet.

Außerdem ermöglicht die Nanoimprint-Technologie für die Produktion von Chips in kleinen Chargen und mit vielfältigen Anforderungen, wie z. B. für die Forschungseinrichtungen bei der Entwicklung von Chips oder für die Herstellung von maßgeschneiderten Chips für bestimmte Bereiche, dass die Chipdesigner sogar unabhängig von den Waferfertigungsunternehmen die Produktion von Chips in kleinen Chargen selbst durchführen können, was die Flexibilität und Vielfalt der Branchenökologie erhöht.

Insgesamt besteht mit der Einführung von Canons FPA - 1200NZ2C - Lithografieanlage die Hoffnung, die Monopolstellung der EUV-Lithografie zu brechen und einen neuen Weg für die globale Chipherstellung zu eröffnen. Im Bereich der Herstellung von 5-nm-Chips war die EUV-Lithografieanlage bisher monopolisiert, und andere fortsch