En regardant le développement historique, l’évolution et l’application des machines de lithographie (en référence spécifiquement à celles utilisées dans les processus front-end de fabrication de circuits intégrés) ont connu de nombreux rebondissements. Globalement, il y a deux périodes remarquables. La première s’est produite lorsque ASML est devenu un acteur dominant en tirant parti de la technologie d’immersion, surpassant ainsi les précédents leaders du secteur. C'était une bataille de technologies. La deuxième période a commencé avec la commercialisation de la lithographie ultraviolette extrême (EUV), alors que la concurrence pour les nœuds de processus avancés (à partir de 16 nm) s'est intensifiée entre TSMC, Samsung et Intel, qui se disputaient la capacité limitée de l'EUV. C'était une bataille d'entreprises.

Compte tenu de la situation actuelle, la troisième vague de concurrence dans le secteur des machines de lithographie se prépare, et elle devrait être plus complexe et plus intense que les deux vagues précédentes.

La première vague : contre-attaque

En 1957, Jay Lathrop et James Nall d'un laboratoire de l'armée américaine ont breveté la technologie de photolithographie, utilisée pour déposer des bandes métalliques sur des substrats céramiques afin de connecter des transistors discrets. En 1959, Lathrop rejoint Texas Instruments et Nall rejoint Fairchild Semiconductor. En 1958, Jay Last et Robert Noyce ont fabriqué la première caméra « pas à pas » chez Fairchild Semiconductor, utilisant la photolithographie pour fabriquer de nombreux transistors sur une seule plaquette. C'était le prototype de la machine de photolithographie.

Dans les années 1980, la société américaine GCA Corporation dominait le marché mondial des machines de photolithographie. Cependant, en raison de la précipitation à livrer les équipements aux clients sans inspection appropriée, des centaines de lentilles défectueuses ont été envoyées sur le marché. Presque à la même époque, le japonais Nikon a amélioré le système de mise au point de la machine de photolithographie et développé des objectifs de la ligne G avec une plus grande ouverture numérique, ce qui a permis au système de projeter plus clairement de minuscules motifs sur la résine photosensible. Cette innovation a rapidement permis à Nikon de dominer le marché et les clients ont abandonné les machines de photolithographie de GCA, entraînant un déclin rapide de GCA.

Dans le même temps, Canon a également lancé des produits approuvés sur le marché, devenant ainsi l'un des deux leaders du secteur des machines de photolithographie à l'époque, aux côtés de Nikon.

Parallèlement, forte de son succès dans les machines de photolithographie step-and-scan, ASML a progressivement rattrapé son retard, notamment avec son produit emblématique PAS 5500, très apprécié par le marché. Après des années de travail acharné, ASML est devenue un géant dans l’ère des machines de photolithographie step-and-scan.

Cependant, à cette époque, la position d'ASML dans l'industrie n'était pas aussi importante qu'aujourd'hui et elle était légèrement inférieure à celle de Nikon et Canon.

La domination d'ASML dans l'industrie des machines de photolithographie provient de la mise à niveau du processus de 193 nm à 157 nm. Avant cela, les machines de photolithographie par étapes et par balayage utilisaient la voie technologique sèche (le milieu d'exposition est l'air) et soutenaient le progrès technologique en utilisant des sources lumineuses d'exposition de plus haut niveau. À la recherche d’une résolution plus élevée, la longueur d’onde de la source lumineuse est passée de 365 nm initiale à 248 nm, puis à 193 nm. Après cela, il a été difficile de poursuivre dans cette voie technologique.

À cette époque, l’industrie était confrontée à deux choix : l’amélioration technologique et la rupture. Les deux géants Nikon et Canon ont choisi d'améliorer leur parcours technologique existant, tandis qu'ASML a choisi de prendre le pari car une nouvelle technologie d'immersion avait émergé.

La lithographie par immersion, proposée par Benjamen Lin à l'époque où il était scientifique à TSMC, utilisait de manière créative l'eau comme milieu d'immersion. Il utilisait toujours la source lumineuse d'origine d'une longueur d'onde de 193 nm, mais grâce à la réfraction de l'eau, la longueur d'onde entrant dans la résine photosensible a été réduite à 134 nm. L'indice de réfraction d'une source lumineuse de 193 nm dans l'air est de 1, alors qu'il est de 1.4 dans l'eau. Cela signifie que dans les mêmes conditions de source lumineuse, la résolution des machines de lithographie par immersion peut être améliorée de 1.4 fois.

Cependant, cette technologie paraissait trop audacieuse à l’époque, avec des difficultés techniques et des coûts élevés. Les bénéficiaires des technologies traditionnelles de lithographie étaient réticents à l’accepter. Lin s'est rendu aux États-Unis, au Japon, en Allemagne et aux Pays-Bas pour promouvoir la lithographie par immersion et vendre son idée aux fabricants de machines de lithographie. Mais il a été rejeté par la plupart des géants de l’industrie, et Nikon a même fait pression sur TSMC pour qu’il le « tue ».

Dans cette situation, Lin a placé son dernier espoir sur ASML, et ce dernier ne l'a pas laissé tomber. Lorsque le développement technologique et industriel a atteint un carrefour, ASML a choisi l’innovation de rupture et a gagné le pari.

En 2003, ASML et TSMC ont coopéré pour développer le premier équipement de lithographie par immersion, le TWINSCAN XT:1150i, suivi d'une version améliorée l'année suivante. La même année, Nikon, avec des progrès lents en matière de recherche et de développement, a finalement présenté un prototype de machine de lithographie sèche à 157 nm.

L’une était la nouvelle technologie qui utilisait la source de lumière originale de 193 nm et évoluait jusqu’à une longueur d’onde de 132 nm dans l’eau, tandis que l’autre était un prototype avec une longueur d’onde de 157 nm. Les avantages de la lithographie par immersion étaient évidents. Cette technologie est devenue la solution de lithographie dominante pour les nœuds de processus ultérieurs tels que 65 nm, 32 nm, 16 nm et 7 nm, jusqu'au nœud actuel de 3 nm.

Le choix est plus grand que l’effort. ASML a fait le bon choix, tandis que Nikon et Canon ont fait le mauvais. Le marché a rapidement adopté les machines de lithographie par immersion, laissant les produits de lithographie sèche traditionnels traîner dans les entrepôts, prenant la poussière. Cela a entraîné une perte de milliards de dollars de dépenses en recherche et développement de Nikon et Canon et une diminution significative de leur part de marché. Au cours des 15 années précédant 2000, ASML était le plus petit acteur dans le secteur des machines de lithographie, avec une part de marché inférieure à 10 %. Avec la commercialisation de la lithographie par immersion, en 2008, la part de marché d'ASML atteint 60 %, se plaçant ainsi seule.

La première vague de concours de machines de lithographie axées sur la technologie a pris fin et ASML est devenue la gagnante.

À suivre...