Vijf marktleiders in de chipmachinemarkt

De wereldwijde honger naar chips is groot en dat stuwt de vraag naar complexe machines om chips mee te produceren. Wanneer we onder de motorkap kijken van de chipmachinemarkt, valt op dat de belangrijkste spelers allemaal iets unieks te bieden hebben. Hierdoor weten ze in de praktijk hoge marges te realiseren: brutomarges ruim boven de 40% komen frequent voor. Daarbij is het bedrijfsmodel van een chipmachinefabrikant kapitaal-efficiënt te noemen, wat interessant is voor aandeelhouders. De productie van chipmachines is namelijk niet extreem kapitaalintensief. De meeste waarde zit in patenten, onderzoek en ontwikkeling, niet in grote fabrieken of voorraden.

Chipmachinefabrikanten halen daardoor vaak een rendement op het geïnvesteerde kapitaal dat hoger ligt dan 30%. Hierdoor is Beleggers Belangen ook al geruime tijd enthousiast over een flink aantal chipmachinefabrikanten. Dit wordt versterkt door een tweede trend en dat is de zogenaamde reshoring. Een toenemend aantal landen wil voor de productie van chips niet meer afhankelijk zijn van het buitenland. Om die reden worden in meer landen en regio’s chips geproduceerd, weliswaar in kleinere volumes, maar daarvoor zijn wel meer machines nodig. Dat speelt de chipmachinefabrikanten in de kaart.

Nadat we in deel I van onze serie over de halfgeleiderindustrie aandacht hebben besteed aan wat een waver is en waar deze van gemaakt is, zoomen we nu globaal in op de stappen die nodig zijn om een goed werkende chip te maken.

Applied Materials

Om een chip te produceren worden eerst laagjes aangebracht op de waver. Bijvoorbeeld een laagje van metaal. Een dergelijk laagje kan worden gezien als een soort van leeg canvas, waar een patroon in kan worden geschreven. En dat patroon bevat een deel van het chipontwerp. Dit proces wordt heel vaak herhaald, want een moderne chip kan wel uit honderd van dat soort laagjes bestaan.

Er zijn een heleboel manieren om nieuwe laagjes op een waver aan te brengen. Een daarvan is bijvoorbeeld oxideren. Er groeit dan een laagje van siliciumdioxide boven op de waver, net zoals roest groeit op ijzer. Hiervoor wordt de waver in een oven gestopt. De waver wordt dan verhit tot wel 1200 graden en vervolgens wordt dan waterstof of zuurstof toegevoegd, die reageren op het oppervlak van de waver, waardoor een laagje ontstaat. Daarnaast kunnen ook laagjes op een waver worden geplakt. Hiervoor zijn verschillende technieken. In de sector behoren deze stappen tot de zogenoemde depositie en het Amerikaanse Applied Materials is de marktleider op dit gebied (Investeerderspagina).

Tokyo Electron

Het plaatsen van laagjes is een belangrijke stap in het productieproces, omdat daarin uiteindelijk een chipontwerp kan worden geschreven. Met lithografie wordt uiteindelijk een chippatroon op de waver geprojecteerd met licht, een beetje zoals bij een dia. Dat klinkt wellicht een beetje vaag, want alleen met licht kan een waver natuurlijk niet worden bewerkt.

Een belangrijke voorbereidende stap voordat de waver de lithografiemachine in kan, is dan ook coaten. Dit is het domein van Tokyo Electron (Investeerderspagina), dat een marktaandeel kent van bijna 90%. Bij coaten wordt een lichtgevoelige vloeistof op de waver gespoten, wat een fotoresist wordt genoemd. Daarna wordt de waver zachtjes gebakken zodat de resist een beetje hard wordt. Hierna is de waver klaar voor de volgende stap in het proces: lithografie.

ASML

Een lithografiemachine bestaat uit drie onderdelen: een lichtbron, een masker en de optiek. De lichtbron is meestal een laser. Het masker is een soort blauwdruk met het chipontwerp erop en de optiek, dat zijn een soort lenzen. De machine werkt als volgt: de lichtbron maakt het licht en dat licht gaat door het masker heen. Het masker houdt delen van het licht tegen waardoor het patroon op het masker wordt vastgelegd in het licht. De optiek stelt dat patroon vervolgens scherp en zo komt het uiteindelijk terecht op de fotoresist. Er ontstaat dan een chemische reactie op de delen van de fotoresist die door het licht geraakt worden. Deze worden vervolgens weggespoeld met een oplosmiddel en zo blijft alleen het chipontwerp over.

Lithografie wordt gezien als de belangrijkste stap in het productieproces doordat het grotendeels bepaalt hoe klein de transistors gemaakt kunnen worden. Door de golflengte van het licht te verkorten kunnen steeds kleinere lijntjes op de waver worden gezet en daardoor kunnen er ook steeds kleinere transistors gemaakt worden. ASML is de wereldmarktleider op dit gebied. De EUV-machine van ASML gebruikt een golflengte van 13,5 nanometer en dat is veel korter dan die van de concurrentie. Hierdoor is ASML (Investeerderspagina) onmisbaar in het productieproces voor de meest geavanceerd chips.

Lam Research

Bij lithografie wordt in de praktijk dus een patroon op de fotoresist aangebracht, maar dat patroon moet ook nog op de waver zelf terecht komen. Dat gebeurt door de waver te etsen. Daarbij worden de delen van de waver die zijn blootgesteld onder de fotoresist weggehaald, terwijl de delen die nog beschermd zijn onder de fotoresist juist blijven zitten. De resist is dus een soort van stencil.

Er zijn twee soorten manieren van etsen: nat en droog. De laatstgenoemde manier is het meest nauwkeurig. Hiermee wordt elektrische geladen gas afgevuurd op de waver. Dit gas haalt dan de niet beschermde delen van de waver weg. De wereldwijde marktleider op dit gebied is het Amerikaanse Lam Research (Investeerderspagina).

Na het etsen staat de structuur van de chiplaag klaar, maar is er nog geen sprake van een werkende chip. De waver is nu als het ware nog niet actief. Er gebeurt nog niet echt iets wanneer er stroom op zou worden gezet. Om ervoor te zorgen dat een transistor goed kan schakelen, moet deze eerst de juiste elektrische eigenschappen krijgen. Om daar voor te zorgen worden onzuiverheden in een waver geschoten. Die onzuiverheden geven de transistoren een positieve of juist een negatieve lading. Dat gebeurt met ION-implementatie. Ook op dit gebied is Applied Materials een van de belangrijke spelers.

De waver wordt gebombardeerd met ionen van een bepaald materiaal. Die knallen in de waver en blijven onder het oppervlak zitten. En als dat is gebeurd, is de chip een heel eind in zijn productieproces. Maar er is eerst nog een reparatiestap nodig. Het bombardement met ionen is namelijk een vrij heftig proces en dat beschadigt de waver. Om dat op te lossen wordt de waver nog eens verhit tot ruim 1000 graden en zo wordt de schade hersteld.

KLA Corporation

Het gehele proces wordt nog heel vaak herhaald. Laagje voor laagje ontstaat op die manier de chip. Eerst de transistors en daarna de metaallaagjes die de transistors met elkaar verbinden. Doordat een moderne chip zoals eerder gemeld soms wel uit honderd laagjes bestaat, kan het wel tot drie maanden duren voordat een waver vol met chips uit de fabriek rolt.

Vervolgens worden de chips nog losgesneden uit de waver en wordt getest of ze wel goed functioneren. Er kunnen namelijk foutjes worden gemaakt tijdens het maken van een chip. Misschien zat er wel een stofdeeltje in een machine, of is ergens te weinig licht op de fotoresist gekomen. De marktleider in kwaliteitscontroles is KLA Corporation (Investeerderspagina). Chips die niet goed werken, kunnen voor een deel uitgeschakeld worden en worden in de praktijk dan gebruikt in goedkopere producten.

Conclusie

De vijf genoemde spelers beschikken alle over een sterk trackrecord en gunstige groeivooruitzichten. Beleggers Belangen heeft recent nog een koopadvies afgegeven op het Japanse Tokyo Electron en het Nederlandse ASML. De chipmachinefabrikanten KLA Corporation en Lam Research maken onderdeel uit van Dividendportefeuille. Applied Materials kreeg voor het laatst een houdadvies.