Guardando allo sviluppo storico, l'evoluzione e l'applicazione delle macchine litografiche (in particolare riferite a quelle utilizzate nei processi front-end della produzione di circuiti integrati) hanno incontrato molti colpi di scena. Nel complesso, ci sono due periodi degni di nota. Il primo è quando ASML è emersa come attore dominante sfruttando la tecnologia di immersione, superando i precedenti leader del settore. Questa è stata una battaglia di tecnologie. Il secondo periodo è iniziato con la commercializzazione della litografia ultravioletta estrema (EUV), quando la concorrenza per i nodi di processo avanzati (a partire da 16 nm) si è intensificata tra TSMC, Samsung e Intel, che gareggiavano per la limitata capacità EUV. Questa è stata una battaglia di imprese.

Dalla situazione attuale, si sta preparando la terza ondata di concorrenza nel settore delle macchine litografiche, che dovrebbe essere più complessa e intensa delle due ondate precedenti.

La prima ondata: contrattacco

Nel 1957, Jay Lathrop e James Nall di un laboratorio dell'esercito americano brevettarono la tecnologia della fotolitografia, che veniva utilizzata per depositare strisce di metallo su substrati ceramici per collegare transistor discreti. Nel 1959, Lathrop si unì alla Texas Instruments e Nall andò alla Fairchild Semiconductor. Nel 1958, Jay Last e Robert Noyce fabbricarono la prima fotocamera "step-and-repeat" alla Fairchild Semiconductor, utilizzando la fotolitografia per realizzare molti transistor su un singolo wafer. Questo era il prototipo della macchina per la fotolitografia.

Negli anni '1980, la GCA Corporation degli Stati Uniti aveva dominato il mercato globale delle macchine per la fotolitografia. Tuttavia, a causa della fretta di consegnare le apparecchiature ai clienti senza un'adeguata ispezione, sono state inviate al mercato centinaia di lenti difettose. Quasi nello stesso periodo, la giapponese Nikon ha migliorato il sistema di messa a fuoco della macchina per fotolitografia e ha sviluppato obiettivi G-Line con un'apertura numerica maggiore, che ha permesso al sistema di proiettare piccoli motivi sul fotoresist in modo più chiaro. Questa innovazione permise rapidamente a Nikon di dominare il mercato e i clienti abbandonarono le macchine per fotolitografia di GCA, provocandone il rapido declino.

Allo stesso tempo, Canon lanciò anche prodotti approvati dal mercato, diventando all'epoca uno dei due leader nel settore delle macchine per fotolitografia insieme a Nikon.

Nel frattempo, sulla base del successo ottenuto con le macchine per fotolitografia step-and-scan, ASML ha gradualmente recuperato terreno, in particolare con il suo prodotto iconico PAS 5500, che è stato molto apprezzato dal mercato. Dopo anni di duro lavoro, ASML è diventata un gigante nell'era delle macchine per fotolitografia step-and-scan.

Tuttavia, a quel tempo, la posizione di ASML nel settore non era così importante come lo è oggi, ed era leggermente inferiore a Nikon e Canon.

Il dominio di ASML nel settore delle macchine per fotolitografia ha avuto origine dall'aggiornamento del processo da 193 nm a 157 nm. Prima di ciò, le macchine fotolitografiche step-and-scan utilizzavano il percorso tecnologico a secco (il mezzo di esposizione è l'aria) e supportavano il progresso tecnologico utilizzando sorgenti luminose di esposizione di livello superiore. Alla ricerca di una risoluzione più elevata, la lunghezza d'onda della sorgente luminosa è cambiata dai 365 nm iniziali a 248 nm, quindi a 193 nm. Dopodiché è stato difficile proseguire su questa strada tecnologica.

A quel tempo, l’industria si trovava di fronte a due scelte: miglioramento tecnologico e disruption. I due giganti Nikon e Canon hanno scelto di migliorare il loro percorso tecnologico esistente, mentre ASML ha scelto di scommettere perché era emersa una nuova tecnologia di immersione.

La litografia ad immersione, proposta da Benjamen Lin all'epoca in cui era scienziato presso TSMC, utilizzava in modo creativo l'acqua come mezzo di immersione. Utilizzava ancora la sorgente luminosa originale con lunghezza d'onda di 193 nm, ma attraverso la rifrazione dell'acqua, la lunghezza d'onda che entrava nel fotoresist era ridotta a 134 nm. L'indice di rifrazione di una sorgente luminosa da 193 nm nell'aria è 1, mentre nell'acqua è 1.4. Ciò significa che, a parità di condizioni di sorgente luminosa, la risoluzione delle macchine litografiche ad immersione può essere migliorata di 1.4 volte.

Tuttavia questa tecnologia sembrava all’epoca troppo ardita, con difficoltà tecniche e costi elevati. I beneficiari delle tecnologie litografiche tradizionali erano riluttanti ad accettarlo. Lin si è recato negli Stati Uniti, in Giappone, in Germania e nei Paesi Bassi per promuovere la litografia ad immersione e vendere la sua idea ai produttori di macchine per la litografia. Ma ha dovuto affrontare il rifiuto della maggior parte dei giganti del settore e Nikon ha persino fatto pressioni su TSMC affinché lo "uccidesse".

In questa situazione, Lin ha riposto la sua ultima speranza nell'ASML, e quest'ultima non lo ha deluso. Quando la tecnologia e lo sviluppo industriale hanno raggiunto un bivio, ASML ha scelto l’innovazione dirompente e ha vinto la scommessa.

Nel 2003, ASML e TSMC hanno collaborato per sviluppare la prima apparecchiatura di litografia ad immersione, TWINSCAN XT:1150i, seguita da una versione migliorata l'anno successivo. Nello stesso anno, Nikon, con lenti progressi nella ricerca e nello sviluppo, introdusse finalmente un prototipo di una macchina per litografia a secco da 157 nm.

Una era la nuova tecnologia che utilizzava la sorgente luminosa originale da 193 nm e si è evoluta fino a una lunghezza d'onda di 132 nm attraverso l'acqua, mentre l'altra era un prototipo con una lunghezza d'onda di 157 nm. I vantaggi della litografia ad immersione erano evidenti. Questa tecnologia è diventata la soluzione litografica tradizionale per i successivi nodi di processo come 65 nm, 32 nm, 16 nm e 7 nm, fino all'attuale nodo a 3 nm.

La scelta è più grande dello sforzo. ASML ha fatto la scelta giusta, mentre Nikon e Canon hanno fatto quella sbagliata. Il mercato ha rapidamente abbracciato le macchine per la litografia a immersione, lasciando i tradizionali prodotti di litografia a secco nei magazzini a prendere polvere. Ciò ha fatto sì che i miliardi di dollari di Nikon e Canon in spese di ricerca e sviluppo andassero in malora e la loro quota di mercato diminuisse in modo significativo. Nei 15 anni precedenti il ​​2000, ASML era l'attore più piccolo nel segmento più alto delle macchine litografiche, con una quota di mercato inferiore al 10%. Con la commercializzazione della litografia ad immersione, nel 2008, la quota di mercato di ASML ha raggiunto il 60%, distinguendosi da sola.

La prima ondata di concorrenza sulle macchine per la litografia basata sulla tecnologia si è conclusa e ASML è emersa come vincitrice.

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