Betrachtet man die historische Entwicklung, so hat die Entwicklung und Anwendung von Lithographiemaschinen (insbesondere derjenigen, die in den Front-End-Prozessen der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden) viele Wendungen erlebt. Insgesamt gibt es zwei bemerkenswerte Zeiträume. Das erste war, als sich ASML durch den Einsatz der Immersionstechnologie zu einem dominanten Akteur entwickelte und die früheren Branchenführer übertraf. Dies war ein Kampf der Technologien. Die zweite Periode begann mit der Kommerzialisierung der Lithographie im extremen Ultraviolett (EUV), als der Wettbewerb um fortschrittliche Prozessknoten (ab 16 nm) zwischen TSMC, Samsung und Intel zunahm, die um die begrenzte EUV-Kapazität wetteiferten. Dies war ein Kampf der Unternehmen.

Aufgrund der aktuellen Situation braut sich die dritte Welle des Wettbewerbs bei Lithografiemaschinen zusammen, die voraussichtlich komplexer und intensiver sein wird als die beiden vorherigen Wellen.

Die erste Welle: Gegenangriff

1957 patentierten Jay Lathrop und James Nall aus einem Labor der US-Armee die Fotolithographie-Technologie, mit der Metallstreifen auf Keramiksubstraten abgeschieden wurden, um diskrete Transistoren zu verbinden. 1959 wechselte Lathrop zu Texas Instruments und Nall zu Fairchild Semiconductor. 1958 stellten Jay Last und Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor die erste „Step-and-Repeat“-Kamera her und nutzten dabei Fotolithographie, um viele Transistoren auf einem einzigen Wafer herzustellen. Dies war der Prototyp der Fotolithographiemaschine.

In den 1980er Jahren dominierte die GCA Corporation aus den USA den globalen Markt für Fotolithografiemaschinen. Aufgrund der Eile, Geräte ohne ordnungsgemäße Inspektion an Kunden auszuliefern, wurden jedoch Hunderte defekter Objektive auf den Markt geschickt. Fast zur gleichen Zeit verbesserte Nikon aus Japan das Fokussierungssystem des Fotolithographiegeräts und entwickelte G-Line-Objektive mit einer größeren numerischen Apertur, die es dem System ermöglichten, winzige Muster klarer auf den Fotolack zu projizieren. Diese Innovation ermöglichte es Nikon schnell, den Markt zu dominieren, und die Kunden gaben die Fotolithografiegeräte von GCA auf, was zu einem rapiden Rückgang von GCA führte.

Gleichzeitig brachte Canon auch markterprobte Produkte auf den Markt und wurde neben Nikon zu einem der beiden Marktführer in der Fotolithografie-Maschinenindustrie.

Mittlerweile hat ASML aufgrund seines Erfolgs bei Step-and-Scan-Fotolithografiegeräten nach und nach aufgeholt, insbesondere mit seinem Kultprodukt PAS 5500, das vom Markt hoch gelobt wurde. Nach Jahren harter Arbeit entwickelte sich ASML zu einem Giganten im Zeitalter der Step-and-Scan-Fotolithografiemaschinen.

Zu dieser Zeit war die Branchenposition von ASML jedoch nicht so herausragend wie heute und lag leicht unter der von Nikon und Canon.

Die Dominanz von ASML in der Photolithographiemaschinenindustrie entstand durch die Prozessmodernisierung von 193 nm auf 157 nm. Zuvor nutzten Step-and-Scan-Photolithographiegeräte die Trockentechnologie (Belichtungsmedium ist Luft) und unterstützten den technologischen Fortschritt durch die Verwendung von Belichtungslichtquellen höherer Qualität. Um eine höhere Auflösung zu erreichen, änderte sich die Wellenlänge der Lichtquelle von ursprünglich 365 nm auf 248 nm und dann auf 193 nm. Danach war es schwierig, diesen technologischen Weg fortzusetzen.

Damals stand die Branche vor zwei Möglichkeiten: technologischer Fortschritt und Umbruch. Die beiden Giganten Nikon und Canon entschieden sich dafür, ihren bestehenden technologischen Weg zu verbessern, während ASML sich entschied, ein Risiko einzugehen, weil eine neue Immersionstechnologie entstanden war.

Die Immersionslithographie, die Benjamen Lin zu der Zeit vorgeschlagen hatte, als er noch Wissenschaftler am TSMC war, nutzte auf kreative Weise Wasser als Immersionsmedium. Es wurde immer noch die ursprüngliche Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 193 nm verwendet, aber durch die Brechung von Wasser wurde die in den Fotolack eindringende Wellenlänge auf 134 nm reduziert. Der Brechungsindex einer 193-nm-Lichtquelle beträgt in Luft 1, während er in Wasser 1.4 beträgt. Dies bedeutet, dass bei gleichen Lichtquellenbedingungen die Auflösung von Immersionslithographiemaschinen um das 1.4-fache verbessert werden kann.

Allerdings schien diese Technologie damals zu gewagt, mit hohen technischen Schwierigkeiten und Kosten verbunden. Die Nutznießer der traditionellen Lithographietechnologien waren nicht bereit, dies zu akzeptieren. Lin reiste in die USA, nach Japan, Deutschland und in die Niederlande, um die Immersionslithographie zu fördern und seine Idee an Hersteller von Lithographiemaschinen zu verkaufen. Doch die meisten Branchenriesen lehnten ihn ab, und Nikon übte sogar Druck auf TSMC aus, ihn zu „töten“.

In dieser Situation setzte Lin seine letzte Hoffnung auf ASML, und diese ließ ihn nicht im Stich. Als die Technologie- und Branchenentwicklung an einem Scheideweg stand, entschied sich ASML für bahnbrechende Innovationen und gewann das Glücksspiel.

Im Jahr 2003 entwickelten ASML und TSMC gemeinsam das erste Immersionslithographiegerät, den TWINSCAN XT:1150i, dem im folgenden Jahr eine verbesserte Version folgte. Im selben Jahr stellte Nikon mit langsamen Fortschritten in Forschung und Entwicklung schließlich einen Prototyp einer 157-nm-Trockenlithographiemaschine vor.

Bei der einen handelte es sich um die neue Technologie, die die ursprüngliche 193-nm-Lichtquelle nutzte und sich durch Wasser zu einer Wellenlänge von 132 nm entwickelte, bei der anderen handelte es sich um einen Prototyp mit einer Wellenlänge von 157 nm. Die Vorteile der Immersionslithographie waren offensichtlich. Diese Technologie wurde zur Mainstream-Lithographielösung für nachfolgende Prozessknoten wie 65 nm, 32 nm, 16 nm und 7 nm, bis hin zum aktuellen 3-nm-Knoten.

Auswahl ist größer als Anstrengung. ASML hat die richtige Wahl getroffen, während Nikon und Canon die falschen getroffen haben. Immersionslithografiemaschinen wurden schnell auf dem Markt eingeführt, so dass die traditionellen Trockenlithografieprodukte in den Lagerhallen verstaubten. Dies führte dazu, dass die milliardenschweren Forschungs- und Entwicklungskosten von Nikon und Canon den Bach runtergingen und ihr Marktanteil deutlich zurückging. In den 15 Jahren vor 2000 war ASML mit einem Marktanteil von weniger als 10 % der kleinste Anbieter in der Spitzenklasse der Lithografiemaschinen. Mit der Kommerzialisierung der Immersionslithographie erreichte ASML im Jahr 2008 einen Marktanteil von 60 % und war damit ein Alleinstellungsmerkmal.

Die erste Welle des technologiegetriebenen Wettbewerbs um Lithographiemaschinen ging zu Ende und ASML ging als Sieger hervor.

Fortsetzung folgt...