De tweede golf: concurrentie

Na de massaproductie van 16nm en 14nm proceschips, zowel DUV als EUV, zijn de hoogwaardige lithografiemachines van ASML altijd zeer gewild geweest in de markt. TSMC, Samsung Electronics, Intel en verschillende grote wafelfabrieken op het vasteland van China strijden elk jaar om het beperkte aantal lithografiemachines.

De afgelopen jaren is door de massaproductie van 7nm-, 5nm- en 3nm-processen de concurrentie tussen TSMC, Samsung Electronics en Intel om EUV-apparatuur steeds heviger geworden.

Naar verluidt bezit TSMC ongeveer 60 EUV-lithografiemachines, goed voor meer dan 50% van het totale aantal EUV-apparaten dat op de markt wordt gebracht. Met de ontwikkeling van 2nm-onderzoek en fabricage heeft TSMC hogere eisen gesteld aan EUV-apparatuur met hoge NA (numerieke apertuur), waardoor vroege bestellingen zijn geplaatst om een ​​leidende positie bij ASML veilig te stellen.

Samsung koopt ook EUV-apparatuur met een hoge NA en heeft ASML verzocht de apparatuur rechtstreeks naar hun fabriek te leveren om te testen, waarmee een precedent wordt geschapen voor ASML om apparatuur rechtstreeks te verzenden en te testen bij klanten. Momenteel beschikt Samsung slechts over 60% van het aantal EUV-lithografiemachines vergeleken met TSMC, en zelfs nog minder. In 2022 kocht Samsung ongeveer 18 EUV-apparaten.

In 2021 kondigde Intel zijn terugkeer naar de gieterijmarkt aan en onthulde een blauwdruk voor geavanceerde procestechnologie. Ze zijn van plan de komende vier jaar vijf nieuwe generaties chipprocestechnologie te lanceren. Om dit doel te bereiken concurreert Intel ook om de meest geavanceerde EUV-lithografiemachines van ASML. In de tweede helft van 2021 maakte Intel bekend dat het vóór TSMC en Samsung een bestelling had geplaatst voor ASML's TWINSCAN EXE:5200, een EUV-apparaat met een NA van 0.55 dat ASML momenteel aan het ontwikkelen is. De eenheidsprijs van deze apparatuur bedraagt ​​300 miljoen dollar en heeft naar verluidt een doorvoercapaciteit van meer dan 220 wafers per uur. Volgens het plan van ASML zal de TWINSCAN EXE:5200 naar verwachting eind 2024 in gebruik worden genomen voor validatie en chipproductie vanaf 2025.

Om aan de evoluerende geavanceerde processen te voldoen, ontwikkelt ASML meer geavanceerde EUV-lithografiemachines, waarbij de nadruk vooral ligt op hoge NA.

High-NA EUV-apparatuur biedt een hogere resolutie, waardoor de chipdichtheid meerdere keren kan worden verhoogd, terwijl defecten, kosten en chipproductiecycli worden verminderd. De nieuwe EUV-apparatuur zal de NA-waarde verhogen van 0.33 naar 0.55 om patronen met een hogere resolutie te bereiken. Vergeleken met een 0.33 NA-lithografiemachine verbetert de resolutie van 0.55 NA van 13 nm naar 8 nm, waardoor een snellere en betere belichting van complexere geïntegreerde circuitpatronen mogelijk wordt en de grenzen van enkele patronen met een pitch van 32 nm tot 30 nm worden overschreden.

Hoewel de halfgeleidermarkt in 2023 traag is, investeren mondiale chipgiganten, waaronder TSMC, Intel, Samsung, SK Hynix en Micron, nog steeds actief in EUV-apparatuur. TSMC en Samsung zullen hun 3nm-capaciteit in 2024 uitbreiden, terwijl Intel eind dit jaar zal beginnen met de massaproductie van zijn eerste Intel 4-proceschip met behulp van EUV-technologie.

ASML verklaarde dat voor de mainstream 0.33 NA in 2021 waferfabrieken die 5 nm-procestechnologieën gebruiken gemiddeld ongeveer 10 lagen per wafermasker hadden. Met de massaproductie van 3 nm in 2023 zullen de gemiddelde wafermaskerlagen echter twintig lagen bereiken.

Wat DRAM betreft, is de productie van maskers met vijf lagen momenteel haalbaar met EUV-technologie, maar in 5 zal dit toenemen tot acht lagen. Sommige processen zullen gebruik maken van meerdere patronen, en elke wafer zal maximaal 2024 lagen maskers hebben.

Volgens de statistieken van ASML heeft het bedrijf, naarmate waferfabrieken en DRAM-fabrikanten hun EUV-investeringsuitgaven verhogen, vanaf het eerste kwartaal van 2023 136 EUV-lithografiemachines verzonden.

Deze week verklaarde Peter Wennink, CEO van ASML, dat ze naar verwachting het eerste EUV-apparaat in de sector met een numerieke apertuur van 0.55 zullen lanceren, de TWINSCAN EXE:5000. Dit apparaat zal echter voornamelijk worden gebruikt voor onderzoek en ontwikkeling om de klanten van het bedrijf vertrouwd te maken met de nieuwe technologie en de functies ervan. Zoals eerder vermeld, kost elk van deze apparaten meer dan 300 miljoen dollar.

Dit jaar zal ASML zijn TWINSCAN EXE:5000-apparatuur naar een niet nader genoemde klant sturen, waarschijnlijk Intel. Intel heeft eerder plannen aangekondigd om vanaf 2025 met massaproductie (HVM) te beginnen met behulp van TWINSCAN EXE-apparatuur met hoge NA, met hun 18A (~ 1.8 nm) procestechnologie. Daarom is Intel sinds 2018 actief bezig met het onderzoeken van lithografieapparatuur met een hoge NA en heeft het bestellingen geplaatst voor zowel de TWINSCAN EXE:5000 als de commerciële versie van TWINSCAN EXE:5200.

In vergelijking met Intel zullen TSMC en Samsung EUV-apparatuur met een NA van 0.55 iets later, maar uiterlijk in 2030, adopteren.

Voor het jaar 2023 is Mehdi Hosseini, senior analist bij Susquehanna International Group, van mening dat het 3nm-proces van TSMC vanwege kostenoverwegingen geen grootschalige productie kan realiseren zonder gebruik te maken van EUV-apparatuur voor meerdere patronen. TSMC maakt momenteel gebruik van de NXE:3600D, die een doorvoersnelheid heeft van 160 wafers per uur (wph).

ASML zal eind dit jaar de nieuwe high-NA NXE:3800E introduceren. Met lagere totale kosten voor meervoudige EUV-patronen kan de NXE:3800E aanvankelijk 195 wafers per uur produceren en kan hij worden geoptimaliseerd om in de loop van de tijd een doorvoer van 220 wafers per uur te bereiken, wat een verbetering van 30% betekent vergeleken met de NXE:3600D.

De derde golf: sta op

Nadat de VS regelgeving had ingevoerd die de verkoop van midden- tot high-end DUV- en EUV-apparatuur aan het Chinese vasteland verbood, begon de strijd om de derde golf van lithografie stilletjes. Dit omvat beperkingen, tegenmaatregelen, maar ook een nieuwe golf van ontwikkeling van lithografietechnologie en zelfredzaamheid.

Momenteel zijn waferfabrieken op het vasteland van China niet in staat speciale lithografiemachines aan te schaffen voor de productie van geavanceerde chips onder de 14 nm. Als oudere versies van DUV-apparatuur worden gebruikt om 14 nm- en 7 nm-chips te produceren, zijn meerdere belichtingen vereist, wat leidt tot aanzienlijk hogere kosten en problemen bij het verbeteren van de opbrengst.

Vanaf 1 september beperken de nieuwste exportcontrolemaatregelen voor halfgeleiderapparatuur vanuit Nederland de export van DUV-apparatuur voor volwassen processen naar het vasteland van China, inclusief die waarbij de 38nm-45nm-processen betrokken zijn.

Deze week maakte ASML bekend dat zij een exportvergunningsaanvraag hebben ingediend bij de Nederlandse overheid voor TWINSCAN NXT:2000i en toekomstige immersielithografiemachines. De Nederlandse overheid heeft de benodigde licentie afgegeven voor verzendingen naar Chinese klanten van de TWINSCAN NXT:2000i en toekomstige apparaten tot eind dit jaar. Het bedrijf schat echter dat het na januari 2024 niet langer in staat zal zijn om relevante exportvergunningen te verkrijgen.

Op 4 september gaf ASML CEO Peter Wennink in een televisieprogramma zijn mening over de exportcontroles en het protectionisme waarmee het bedrijf te maken heeft. Hij benadrukte dat volledige isolatie van China door middel van exportcontroles geen haalbare kaart is. De doorbraak in de chips die in de Xiaomi Mate 60 Pro worden gebruikt, illustreert dit punt indirect. Deze beperkingen zetten China ertoe aan om zijn innovatie-inspanningen te verdubbelen. Hij stelde dat als Europa en de Verenigde Staten niet bereid zijn technologie te delen, China zijn eigen onderzoek zal doen en oplossingen zal verkennen die westerse bedrijven niet hebben overwogen. Beperkend beleid van westerse overheden stimuleert innovatie en creativiteit in China.

Peter Wennink waarschuwde dat het vasteland van China nieuwe technologieën en producten zal ontwerpen, die een mondiale concurrentie zouden kunnen veroorzaken. De Wall Street Journal meldde eerder dat toen de VS in oktober 2022 de beperkingen op de verkoop van chips aanscherpten, Chinese bedrijven op het vasteland slechts voor 2.4 miljard dollar aan halfgeleiderapparatuur importeerden, het laagste cijfer sinds het verbod ruim twee jaar geleden werd ingevoerd. Dit geeft aan dat de Chinese industrie voor halfgeleiderapparatuur ernaar streeft de afhankelijkheid van importen te verminderen, en dat het proces van het bereiken van zelfredzaamheid steeds sneller gaat.