La seconda ondata: la concorrenza

Dopo la produzione in serie di chip di processo da 16 e 14 nm, sia DUV che EUV, le macchine litografiche di fascia alta di ASML sono sempre state molto ricercate sul mercato. TSMC, Samsung Electronics, Intel e diverse importanti fabbriche di wafer nella Cina continentale competono ogni anno per il numero limitato di macchine litografiche.

Negli ultimi anni, con la produzione di massa di processi a 7 nm, 5 nm e 3 nm, la concorrenza tra TSMC, Samsung Electronics e Intel per le apparecchiature EUV è diventata sempre più agguerrita.

È stato riferito che TSMC possiede circa 60 macchine litografiche EUV, che rappresentano oltre il 50% del totale dei dispositivi EUV spediti sul mercato. Con lo sviluppo della ricerca a 2 nm e della costruzione di impianti, TSMC ha posto requisiti più elevati per le apparecchiature EUV ad alta NA (apertura numerica), effettuando ordini anticipati per assicurarsi una posizione di leadership presso ASML.

Samsung sta inoltre acquistando apparecchiature EUV ad alto NA e ha richiesto ad ASML di consegnare le apparecchiature direttamente alla fabbrica per i test, creando un precedente per ASML per spedire e testare direttamente le apparecchiature presso le strutture del cliente. Attualmente Samsung possiede solo circa il 60% del numero di macchine per litografia EUV rispetto a TSMC, e anche meno. Nel 2022 Samsung ha acquistato circa 18 dispositivi EUV.

Nel 2021, Intel ha annunciato il suo ritorno nel mercato della fonderia e ha presentato un progetto per la tecnologia di processo avanzata. Prevedono di lanciare cinque nuove generazioni di tecnologia di processo dei chip nei prossimi quattro anni. Per raggiungere questo obiettivo, Intel è anche in competizione per le macchine litografiche EUV più avanzate di ASML. Nella seconda metà del 2021, Intel ha annunciato di aver effettuato un ordine prima di TSMC e Samsung per TWINSCAN EXE:5200 di ASML, un dispositivo EUV con un NA di 0.55 che ASML sta attualmente sviluppando. Il prezzo unitario di questa apparecchiatura raggiunge i 300 milioni di dollari USA e, secondo quanto riferito, ha una produttività di oltre 220 wafer all'ora. Secondo il piano di ASML, il TWINSCAN EXE:5200 dovrebbe essere messo in servizio entro la fine del 2024 per la validazione e la produzione di chip a partire dal 2025.

Per soddisfare i processi avanzati in evoluzione, ASML sta sviluppando macchine litografiche EUV più avanzate, concentrandosi principalmente su NA elevata.

Le apparecchiature EUV ad alto NA offrono una risoluzione più elevata, consentendo un aumento notevole della densità dei chip riducendo al contempo difetti, costi e cicli di produzione dei chip. La nuova apparecchiatura EUV aumenterà il suo valore NA da 0.33 a 0.55 per ottenere modelli con una risoluzione più elevata. Rispetto a una macchina litografica da 0.33 NA, la risoluzione di 0.55 NA migliora da 13 nm a 8 nm, consentendo un'esposizione più rapida e migliore di modelli di circuiti integrati più complessi e superando i limiti del modello singolo con un passo da 32 nm a 30 nm.

Sebbene il mercato dei semiconduttori sia lento nel 2023, i giganti globali dei chip tra cui TSMC, Intel, Samsung, SK Hynix e Micron stanno ancora investendo attivamente in apparecchiature EUV. TSMC e Samsung amplieranno la loro capacità a 3 nm nel 2024, mentre Intel avvierà la produzione di massa del suo primo chip Intel 4 utilizzando la tecnologia EUV alla fine di quest'anno.

ASML ha affermato che per il mainstream 0.33 NA, nel 2021, i fab di wafer che utilizzano tecnologie di processo a 5 nm avevano una media di circa 10 strati per maschera di wafer. Tuttavia, con la produzione di massa di 3 nm nel 2023, gli strati medi delle maschere per wafer raggiungeranno i 20 strati.

Per quanto riguarda la DRAM, attualmente la produzione di maschere a 5 strati è realizzabile con la tecnologia EUV, ma nel 2024 aumenterà a 8 strati. Alcuni processi adotteranno il multi-patterning e ogni wafer avrà fino a 10 strati di maschere.

Secondo le statistiche di ASML, poiché le fabbriche di wafer e i produttori di DRAM aumentano le loro spese in conto capitale EUV, a partire dal primo trimestre del 2023, la società ha spedito 136 macchine litografiche EUV.

Questa settimana, il CEO di ASML Peter Weennink ha dichiarato che è previsto il lancio del primo dispositivo EUV del settore con un'apertura numerica di 0.55, il TWINSCAN EXE:5000. Tuttavia, questo dispositivo verrà utilizzato principalmente per la ricerca e lo sviluppo per familiarizzare i clienti dell'azienda con la nuova tecnologia e le sue funzioni. Come accennato in precedenza, ciascuno di questi dispositivi costa oltre 300 milioni di dollari USA.

Quest'anno, ASML invierà la sua apparecchiatura TWINSCAN EXE:5000 a un cliente sconosciuto, che probabilmente è Intel. Intel aveva precedentemente annunciato l'intenzione di avviare la produzione di massa (HVM) utilizzando apparecchiature TWINSCAN EXE ad alto NA a partire dal 2025, con la loro tecnologia di processo da 18 A (~ 1.8 nm). Pertanto, Intel esplora attivamente le apparecchiature di litografia ad alto NA dal 2018 e ha effettuato ordini sia per TWINSCAN EXE:5000 che per la versione commerciale di TWINSCAN EXE:5200.

Rispetto a Intel, TSMC e Samsung adotteranno apparecchiature EUV con un NA di 0.55 leggermente più tardi, ma non oltre il 2030.

Per l'anno 2023, Mehdi Hosseini, analista senior presso Susquehanna International Group, ritiene che il processo a 3 nm di TSMC non possa raggiungere una produzione in volumi elevati senza utilizzare apparecchiature EUV per la modellazione multipla a causa di considerazioni sui costi. TSMC attualmente utilizza NXE:3600D, che ha una produttività di 160 wafer all'ora (wph).

ASML introdurrà il nuovo NXE:3800E ad alta NA entro la fine di quest'anno. Con un costo complessivo ridotto per la modellazione multipla EUV, NXE:3800E può produrre inizialmente 195 wafer all'ora e può essere ottimizzato per raggiungere una produttività di 220 wafer all'ora nel tempo, rappresentando un miglioramento del 30% rispetto a NXE:3600D.

La terza ondata: ascesa

Dopo che gli Stati Uniti hanno implementato le normative che vietano la vendita di apparecchiature DUV ed EUV di fascia medio-alta alla Cina continentale, è iniziata silenziosamente la battaglia per la terza ondata di litografia. Ciò include restrizioni, contromisure, nonché una nuova ondata di sviluppo della tecnologia litografica e di fiducia in se stessi.

Attualmente, le fabbriche di wafer nella Cina continentale non sono in grado di acquistare macchine litografiche dedicate per la produzione di chip avanzati inferiori a 14 nm. Se si utilizzano versioni precedenti di apparecchiature DUV per produrre chip da 14 nm e 7 nm, sono necessarie esposizioni multiple, con conseguenti costi significativamente più elevati e difficoltà nel migliorare la resa.

A partire dal 1 settembre, le ultime misure di controllo delle esportazioni di apparecchiature per semiconduttori dai Paesi Bassi limitano ulteriormente l’esportazione di apparecchiature DUV per processi maturi verso la Cina continentale, compresi quelli che coinvolgono i processi da 38 nm a 45 nm.

Questa settimana, ASML ha annunciato di aver presentato una richiesta di licenza di esportazione al governo olandese per TWINSCAN NXT:2000i e le future macchine per litografia ad immersione. Il governo olandese ha rilasciato la licenza necessaria per la spedizione ai clienti cinesi del TWINSCAN NXT:2000i e dei futuri dispositivi fino alla fine di quest'anno. Tuttavia, la società stima che non sarà più possibile ottenere le relative licenze di esportazione dopo gennaio 2024.

Il 4 settembre, l'amministratore delegato di ASML, Peter Wennink, ha espresso la sua opinione sui controlli alle esportazioni e sul protezionismo a cui l'azienda è esposta durante un programma televisivo. Ha sottolineato che isolare completamente la Cina continentale attraverso i controlli alle esportazioni non è un approccio praticabile. La svolta nei chip utilizzati nello Xiaomi Mate 60 Pro illustra indirettamente questo punto. Queste restrizioni stanno effettivamente spingendo la Cina continentale a raddoppiare i suoi sforzi nell'innovazione. Ha affermato che se Europa e Stati Uniti non saranno disposti a condividere la tecnologia, la Cina continentale condurrà le proprie ricerche, esplorando soluzioni che le aziende occidentali non hanno preso in considerazione. Le politiche restrittive dei governi occidentali stanno stimolando l'innovazione e la creatività nella Cina continentale.

Peter Weennink ha avvertito che la Cina continentale progetterà nuove tecnologie e prodotti, che potrebbero innescare una competizione globale. Il Wall Street Journal aveva precedentemente riferito che quando gli Stati Uniti hanno aggiornato le restrizioni sulle vendite di chip nell’ottobre 2022, le aziende della Cina continentale hanno importato solo 2.4 miliardi di dollari di apparecchiature per semiconduttori, la cifra più bassa da quando il divieto è stato implementato più di due anni fa. Ciò indica che l’industria cinese delle apparecchiature per semiconduttori sta cercando di ridurre la dipendenza dalle importazioni e che il processo per raggiungere l’autosufficienza sta accelerando.