Die zweite Welle: Wettbewerb

Nach der Massenproduktion von 16-nm- und 14-nm-Prozesschips, sowohl DUV als auch EUV, waren die High-End-Lithografiemaschinen von ASML schon immer sehr gefragt auf dem Markt. TSMC, Samsung Electronics, Intel und mehrere große Waferfabriken auf dem chinesischen Festland konkurrieren jedes Jahr um die begrenzte Anzahl an Lithografiemaschinen.

In den letzten Jahren ist der Wettbewerb zwischen TSMC, Samsung Electronics und Intel um EUV-Geräte mit der Massenproduktion von 7-nm-, 5-nm- und 3-nm-Prozessen immer härter geworden.

Es wird berichtet, dass TSMC etwa 60 EUV-Lithographiemaschinen besitzt, was mehr als 50 % aller auf den Markt gebrachten EUV-Geräte ausmacht. Mit der Entwicklung der 2-nm-Forschung und des Fabrikbaus hat TSMC höhere Anforderungen an EUV-Geräte mit hoher NA (numerische Apertur) gestellt und frühzeitig Aufträge erteilt, um sich eine führende Position bei ASML zu sichern.

Samsung kauft außerdem EUV-Geräte mit hohem NA-Wert und hat ASML gebeten, die Geräte zum Testen direkt an ihr Werk zu liefern. Damit wird ein Präzedenzfall dafür geschaffen, dass ASML Geräte direkt an Kundenstandorte liefern und testen kann. Derzeit verfügt Samsung im Vergleich zu TSMC nur über etwa 60 % der Anzahl an EUV-Lithographiemaschinen, und sogar noch weniger. Im Jahr 2022 kaufte Samsung etwa 18 EUV-Geräte.

Im Jahr 2021 kündigte Intel seine Rückkehr in den Gießereimarkt an und stellte einen Entwurf für fortschrittliche Prozesstechnologie vor. Sie planen, in den nächsten vier Jahren fünf neue Generationen der Chip-Prozesstechnologie auf den Markt zu bringen. Um dieses Ziel zu erreichen, konkurriert Intel auch um die fortschrittlichsten EUV-Lithographiemaschinen von ASML. In der zweiten Jahreshälfte 2021 gab Intel bekannt, dass es vor TSMC und Samsung eine Bestellung für TWINSCAN EXE:5200 von ASML aufgegeben hat, ein EUV-Gerät mit einer NA von 0.55, das ASML derzeit entwickelt. Der Stückpreis dieser Ausrüstung beläuft sich auf 300 Millionen US-Dollar und sie soll einen Durchsatz von über 220 Wafern pro Stunde haben. Nach dem Plan von ASML soll der TWINSCAN EXE:5200 bis Ende 2024 zur Validierung und Chipproduktion ab 2025 in Betrieb genommen werden.

Um den sich entwickelnden fortschrittlichen Prozessen gerecht zu werden, entwickelt ASML fortschrittlichere EUV-Lithographiemaschinen, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf High-NA liegt.

High-NA-EUV-Geräte bieten eine höhere Auflösung, was eine um ein Vielfaches höhere Chipdichte ermöglicht und gleichzeitig Fehler, Kosten und Chipherstellungszyklen reduziert. Die neue EUV-Ausrüstung wird ihren NA-Wert von 0.33 auf 0.55 erhöhen, um eine Strukturierung mit höherer Auflösung zu erreichen. Im Vergleich zu einem 0.33 NA-Lithographiegerät verbessert sich die Auflösung von 0.55 NA von 13 nm auf 8 nm, was eine schnellere und bessere Belichtung komplexerer integrierter Schaltkreismuster ermöglicht und die Grenzen der Einzelmusterung mit einem Abstand von 32 nm bis 30 nm überschreitet.

Obwohl sich der Halbleitermarkt im Jahr 2023 schleppend entwickelt, investieren globale Chipgiganten wie TSMC, Intel, Samsung, SK Hynix und Micron immer noch aktiv in EUV-Ausrüstung. TSMC und Samsung werden ihre 3-nm-Kapazität im Jahr 2024 erweitern, während Intel Ende dieses Jahres mit der Massenproduktion seines ersten Intel-4-Prozesschips mithilfe der EUV-Technologie beginnen wird.

ASML gab an, dass Waferfabriken mit 0.33-nm-Prozesstechnologien im Jahr 2021 für die Mainstream-NA von 5 durchschnittlich etwa 10 Schichten pro Wafermaske aufwiesen. Mit der Massenproduktion von 3 nm im Jahr 2023 werden die durchschnittlichen Wafermaskenschichten jedoch 20 Schichten erreichen.

Was DRAM betrifft, ist derzeit mit der EUV-Technologie eine 5-Schicht-Maskenproduktion möglich, im Jahr 2024 wird sie jedoch auf 8 Schichten ansteigen. Bei einigen Prozessen werden Mehrfachmuster verwendet, und jeder Wafer verfügt über bis zu 10 Maskenschichten.

Den Statistiken von ASML zufolge hat das Unternehmen seit dem ersten Quartal 2023 136 EUV-Lithographiemaschinen ausgeliefert, da Waferfabriken und DRAM-Hersteller ihre EUV-Investitionsausgaben erhöhen.

ASML-CEO Peter Wennink erklärte diese Woche, dass man voraussichtlich das erste EUV-Gerät der Branche mit einer numerischen Apertur von 0.55 auf den Markt bringen werde, den TWINSCAN EXE:5000. Allerdings wird dieses Gerät hauptsächlich für Forschung und Entwicklung eingesetzt, um die Kunden des Unternehmens mit der neuen Technologie und ihren Funktionen vertraut zu machen. Wie bereits erwähnt, kostet jedes dieser Geräte über 300 Millionen US-Dollar.

In diesem Jahr wird ASML seine TWINSCAN EXE:5000-Geräte an einen nicht genannten Kunden senden, bei dem es sich wahrscheinlich um Intel handelt. Intel hatte zuvor Pläne angekündigt, ab 2025 mit der Massenproduktion (HVM) mit TWINSCAN EXE-Geräten mit hoher NA und ihrer 18A (~1.8 nm) Prozesstechnologie zu beginnen. Daher erforscht Intel seit 2018 aktiv High-NA-Lithographiegeräte und hat sowohl den TWINSCAN EXE:5000 als auch die kommerzielle Version des TWINSCAN EXE:5200 bestellt.

Im Vergleich zu Intel werden TSMC und Samsung etwas später, spätestens jedoch 0.55, EUV-Geräte mit einer NA von 2030 einführen.

Für das Jahr 2023 geht Mehdi Hosseini, leitender Analyst bei der Susquehanna International Group, davon aus, dass der 3-nm-Prozess von TSMC aus Kostengründen keine Großserienproduktion ohne den Einsatz von EUV-Geräten für die Mehrfachstrukturierung erreichen kann. TSMC verwendet derzeit den NXE:3600D, der einen Durchsatz von 160 Wafern pro Stunde (wph) hat.

ASML wird bis Ende dieses Jahres den neuen High-NA NXE:3800E vorstellen. Mit reduzierten Gesamtkosten für die EUV-Mehrfachstrukturierung kann der NXE:3800E anfänglich 195 Wafer pro Stunde produzieren und kann im Laufe der Zeit optimiert werden, um einen Durchsatz von 220 Wafern pro Stunde zu erreichen, was einer Verbesserung von 30 % im Vergleich zum NXE:3600D entspricht.

Die dritte Welle: Aufstieg

Nachdem die USA Vorschriften erlassen hatten, die den Verkauf von DUV- und EUV-Geräten der mittleren bis oberen Preisklasse auf dem chinesischen Festland verbieten, begann in aller Stille der Kampf um die dritte Welle der Lithografie. Dazu gehören Einschränkungen, Gegenmaßnahmen sowie eine neue Welle der Entwicklung und Eigenständigkeit der Lithografietechnologie.

Derzeit sind Waferfabriken auf dem chinesischen Festland nicht in der Lage, spezielle Lithografiemaschinen für die Herstellung fortschrittlicher Chips unter 14 nm zu kaufen. Wenn ältere Versionen von DUV-Geräten zur Herstellung von 14-nm- und 7-nm-Chips verwendet werden, sind mehrere Belichtungen erforderlich, was zu deutlich höheren Kosten und Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Ausbeute führt.

Ab dem 1. September schränken die neuesten Exportkontrollmaßnahmen für Halbleiterausrüstung aus den Niederlanden den Export von DUV-Geräten für ausgereifte Prozesse auf das chinesische Festland weiter ein, einschließlich derjenigen, die die 38-nm-45-nm-Prozesse betreffen.

Diese Woche gab ASML bekannt, dass sie bei der niederländischen Regierung einen Exportlizenzantrag für TWINSCAN NXT:2000i und zukünftige Immersionslithografiemaschinen eingereicht haben. Die niederländische Regierung hat die erforderliche Lizenz für den Versand des TWINSCAN NXT:2000i und zukünftiger Geräte an chinesische Kunden bis Ende dieses Jahres erteilt. Allerdings geht das Unternehmen davon aus, dass ab Januar 2024 keine entsprechenden Exportgenehmigungen mehr eingeholt werden können.

Am 4. September äußerte sich ASML-CEO Peter Wennink in einer Fernsehsendung zu den Exportkontrollen und dem Protektionismus, mit denen das Unternehmen konfrontiert ist. Er betonte, dass eine vollständige Abschottung Festlandchinas durch Exportkontrollen kein praktikabler Ansatz sei. Der Durchbruch bei den Chips des Xiaomi Mate 60 Pro verdeutlicht dies indirekt. Diese Beschränkungen veranlassen Festlandchina sogar dazu, seine Innovationsanstrengungen zu verdoppeln. Wennink erklärte, dass Festlandchina, sollten Europa und die USA nicht bereit sein, Technologien auszutauschen, eigene Forschung betreiben und Lösungen erforschen werde, die westliche Unternehmen bisher nicht in Betracht gezogen hätten. Die restriktive Politik westlicher Regierungen fördere Innovation und Kreativität in Festlandchina.

Peter Wennink warnte, dass Festlandchina neue Technologien und Produkte entwickeln werde, was einen globalen Wettbewerb auslösen könnte. Das Wall Street Journal berichtete zuvor, dass, als die USA im Oktober 2022 ihre Chip-Verkaufsbeschränkungen verschärften, Unternehmen auf dem chinesischen Festland Halbleiterausrüstung im Wert von nur 2.4 Milliarden US-Dollar importierten, der niedrigste Wert seit Einführung des Verbots vor über zwei Jahren. Dies deutet darauf hin, dass Chinas Halbleiterausrüstungsindustrie bestrebt ist, die Abhängigkeit von Importen zu verringern, und dass sich der Prozess zur Erreichung der Eigenständigkeit beschleunigt.