Kijkend naar de historische ontwikkeling, zijn de evolutie en toepassing van lithografiemachines (met name verwijzend naar de machines die worden gebruikt in de front-endprocessen van de productie van geïntegreerde schakelingen) met veel wendingen geconfronteerd. Globaal gezien zijn er twee opmerkelijke periodes. De eerste is toen ASML naar voren kwam als een dominante speler door gebruik te maken van immersietechnologie en daarmee de vorige marktleiders voorbijstreefde. Dit was een strijd tussen technologieën. De tweede periode begon met de commercialisering van extreem ultraviolet (EUV) lithografie, toen de concurrentie om geavanceerde procesknooppunten (vanaf 16 nm) heviger werd tussen TSMC, Samsung en Intel, die streden om de beperkte EUV-capaciteit. Dit was een strijd tussen bedrijven.

Gezien de huidige situatie is er een derde golf van concurrentie op het gebied van lithografiemachines aan het ontstaan, en deze zal naar verwachting complexer en intenser zijn dan de vorige twee golven.

De eerste golf: tegenaanval

In 1957 patenteerden Jay Lathrop en James Nall van een laboratorium van het Amerikaanse leger de fotolithografietechnologie, die werd gebruikt om metalen strips op keramische substraten aan te brengen om discrete transistors met elkaar te verbinden. In 1959 trad Lathrop toe tot Texas Instruments en Nall ging naar Fairchild Semiconductor. In 1958 vervaardigden Jay Last en Robert Noyce de eerste "step-and-repeat" -camera bij Fairchild Semiconductor, waarbij ze fotolithografie gebruikten om veel transistors op één enkele wafer te maken. Dit was het prototype van de fotolithografiemachine.

In de jaren tachtig domineerde GCA Corporation uit de Verenigde Staten de mondiale markt voor fotolithografiemachines. Vanwege de haast om apparatuur aan klanten te leveren zonder de juiste inspectie, werden er echter honderden defecte lenzen naar de markt gestuurd. In bijna dezelfde periode verbeterde Nikon uit Japan het focussysteem van de fotolithografiemachine en ontwikkelde g-line-objectieven met een grotere numerieke opening, waardoor het systeem kleine patronen duidelijker op de fotoresist kon projecteren. Door deze innovatie kon Nikon al snel de markt domineren, en klanten verlieten de fotolithografiemachines van GCA, waardoor GCA snel achteruitging.

Tegelijkertijd lanceerde Canon ook door de markt goedgekeurde producten en werd daarmee naast Nikon een van de twee leiders in de fotolithografiemachine-industrie.

Ondertussen heeft ASML, dankzij zijn succes op het gebied van step-and-scan fotolithografiemachines, geleidelijk zijn achterstand ingehaald, vooral met zijn iconische product PAS 5500, dat zeer werd geprezen door de markt. Na jaren van hard werken werd ASML een reus in het tijdperk van step-and-scan fotolithografiemachines.

Destijds was de industriële positie van ASML echter niet zo prominent als nu, en enigszins inferieur aan Nikon en Canon.

De dominantie van ASML in de fotolithografiemachine-industrie kwam voort uit de procesupgrade van 193 nm naar 157 nm. Voordien gebruikten step-and-scan fotolithografiemachines de droge (belichtingsmedium is lucht) technologieroute en ondersteunden ze de technologische vooruitgang door gebruik te maken van belichtingslichtbronnen van een hoger niveau. Bij het nastreven van een hogere resolutie veranderde de golflengte van de lichtbron van aanvankelijk 365 nm naar 248 nm en vervolgens naar 193 nm. Daarna was het moeilijk om op deze technologische route verder te gaan.

Destijds stond de industrie voor twee keuzes: technologische verbetering en disruptie. De twee giganten Nikon en Canon kozen ervoor om hun bestaande technologische pad te verbeteren, terwijl ASML ervoor koos een gok te wagen omdat er een nieuwe immersietechnologie was ontstaan.

Immersielithografie, voorgesteld door Benjamin Lin in de tijd dat hij wetenschapper was bij TSMC, maakte op creatieve wijze gebruik van water als immersiemedium. Er werd nog steeds gebruik gemaakt van de oorspronkelijke lichtbron met een golflengte van 193 nm, maar door de breking van water werd de golflengte die de fotoresist binnenkwam teruggebracht tot 134 nm. De brekingsindex van een lichtbron van 193 nm in lucht is 1, terwijl deze in water 1.4 is. Dit betekent dat onder dezelfde lichtbronomstandigheden de resolutie van immersielithografiemachines 1.4 keer kan worden verbeterd.

Deze technologie leek destijds echter te gewaagd, met hoge technische problemen en kosten. De begunstigden van traditionele lithografietechnologieën waren terughoudend om deze te accepteren. Lin reisde naar de Verenigde Staten, Japan, Duitsland en Nederland om immersielithografie te promoten en zijn idee te verkopen aan fabrikanten van lithografiemachines. Maar hij kreeg te maken met afwijzing door de meeste industriegiganten, en Nikon zette TSMC zelfs onder druk om hem te 'vermoorden'.

In deze situatie vestigde Lin zijn laatste hoop op ASML, en laatstgenoemde stelde hem niet in de steek. Toen technologie en industriële ontwikkeling een kruispunt bereikten, koos ASML voor disruptieve innovatie en won de gok.

In 2003 werkten ASML en TSMC samen om de eerste immersielithografieapparatuur te ontwikkelen, de TWINSCAN XT:1150i, die het jaar daarop werd gevolgd door een verbeterde versie. In hetzelfde jaar introduceerde Nikon, met langzame vooruitgang in onderzoek en ontwikkeling, eindelijk een prototype van een 157 nm droge lithografiemachine.

De ene was de nieuwe technologie die gebruik maakte van de oorspronkelijke lichtbron van 193 nm en door water evolueerde naar een golflengte van 132 nm, terwijl de andere een prototype was met een golflengte van 157 nm. De voordelen van immersielithografie waren duidelijk. Deze technologie werd de mainstream lithografie-oplossing voor daaropvolgende procesknooppunten zoals 65 nm, 32 nm, 16 nm en 7 nm, tot aan het huidige 3 nm-knooppunt.

Keuze is groter dan moeite. ASML heeft de juiste keuze gemaakt, terwijl Nikon en Canon de verkeerde hebben gemaakt. De markt omarmde al snel immersielithografiemachines, waardoor de traditionele droge lithografieproducten in magazijnen stof bleven vergaren. Dit zorgde ervoor dat de miljarden dollars aan onderzoeks- en ontwikkelingskosten van Nikon en Canon verloren gingen en dat hun marktaandeel aanzienlijk daalde. In de vijftien jaar vóór 15 was ASML de kleinste speler in het topsegment van de lithografiemachines, met een marktaandeel van minder dan 2000%. Met de commercialisering van immersielithografie in 10 bereikte het marktaandeel van ASML 2008%, waarmee het op zichzelf al uitblinkte.

De eerste golf van technologiegedreven concurrentie op het gebied van lithografiemachines eindigde en ASML kwam als winnaar uit de bus.

Wordt vervolgd...