Patrząc na rozwój historyczny, ewolucja i zastosowanie maszyn litograficznych (w szczególności odnoszących się do tych stosowanych w czołowych procesach produkcji układów scalonych) napotkało wiele zwrotów akcji. Ogólnie rzecz biorąc, można wyróżnić dwa okresy godne uwagi. Po pierwsze, ASML wyłonił się jako dominujący gracz dzięki wykorzystaniu technologii immersji, przewyższając poprzednich liderów branży. To była bitwa technologii. Drugi okres rozpoczął się wraz z komercjalizacją litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV), gdy nasiliła się konkurencja o zaawansowane węzły procesowe (począwszy od 16 nm) między TSMC, Samsungiem i Intelem, które rywalizowały o ograniczoną pojemność EUV. To była walka przedsiębiorców.

Z obecnej sytuacji szykuje się trzecia fala rywalizacji w maszynach litograficznych, która ma być bardziej złożona i intensywna niż dwie poprzednie fale.

Pierwsza fala: Kontratak

W 1957 roku Jay Lathrop i James Nall z laboratorium armii amerykańskiej opatentowali technologię fotolitografii, która służyła do osadzania metalowych pasków na podłożach ceramicznych w celu łączenia dyskretnych tranzystorów. W 1959 roku Lathrop dołączył do Texas Instruments, a Nall do Fairchild Semiconductor. W 1958 roku Jay Last i Robert Noyce wyprodukowali pierwszą kamerę „krok i powtarzanie” w Fairchild Semiconductor, wykorzystując fotolitografię do wykonania wielu tranzystorów na pojedynczej płytce. Był to prototyp maszyny fotolitograficznej.

W latach 1980-tych amerykańska firma GCA Corporation zdominowała światowy rynek maszyn fotolitograficznych. Jednak w związku z pośpiechem w dostarczaniu klientom sprzętu bez odpowiedniej kontroli, na rynek trafiły setki wadliwych obiektywów. Niemal w tym samym okresie firma Nikon z Japonii ulepszyła system ogniskowania maszyny fotolitograficznej i opracowała obiektywy typu G z większą aperturą numeryczną, co umożliwiło systemowi wyraźniejsze rzutowanie drobnych wzorów na fotomaskę. Ta innowacja szybko pozwoliła firmie Nikon zdominować rynek, a klienci porzucili maszyny fotolitograficzne GCA, co spowodowało gwałtowny spadek wartości GCA.

W tym samym czasie firma Canon wprowadziła na rynek również produkty zatwierdzone na rynek, stając się jednym z dwóch ówczesnych liderów w branży maszyn fotolitograficznych, obok firmy Nikon.

Tymczasem, bazując na sukcesie w dziedzinie maszyn do fotolitografii typu „step-and-scan”, firma ASML stopniowo nadrabiała zaległości, zwłaszcza dzięki swojemu kultowemu produktowi PAS 5500, który spotkał się z dużym uznaniem rynku. Po latach ciężkiej pracy firma ASML stała się gigantem w erze maszyn do fotolitografii typu „step-and-scan”.

Jednak w tamtym czasie pozycja branżowa ASML nie była tak widoczna jak obecnie i była nieco gorsza od Nikona i Canona.

Dominacja ASML w branży maszyn do fotolitografii wywodzi się z modernizacji procesu ze 193 nm do 157 nm. Wcześniej maszyny do fotolitografii typu „krok i skan” korzystały z technologii suchej (środkiem naświetlającym jest powietrze) i wspierały postęp technologiczny poprzez wykorzystanie źródeł światła o wyższym poziomie ekspozycji. W pogoni za wyższą rozdzielczością zmieniono długość fali źródła światła z początkowych 365 nm na 248 nm, a następnie na 193 nm. Potem trudno było kontynuować tę drogę technologiczną.

W tamtym czasie branża stanęła przed dwoma wyborami: udoskonaleniem technologicznym i zakłóceniami. Dwaj giganci, Nikon i Canon, zdecydowali się ulepszyć swoją istniejącą ścieżkę technologiczną, podczas gdy ASML zdecydowało się zaryzykować, ponieważ pojawiła się nowa technologia immersji.

Litografia zanurzeniowa, zaproponowana przez Benjamena Lina w czasach, gdy był naukowcem w TSMC, twórczo wykorzystywała wodę jako medium zanurzeniowe. Nadal korzystał z oryginalnego źródła światła o długości fali 193 nm, ale w wyniku załamania wody długość fali wchodzącej do fotorezystu została zmniejszona do 134 nm. Współczynnik załamania światła o długości fali 193 nm w powietrzu wynosi 1, a w wodzie 1.4. Oznacza to, że przy tych samych warunkach źródła światła rozdzielczość maszyn do litografii zanurzeniowej można poprawić 1.4 razy.

Technologia ta wydawała się jednak wówczas zbyt odważna, wiązała się z dużymi trudnościami technicznymi i kosztami. Beneficjenci tradycyjnych technologii litograficznych niechętnie się na to godzili. Lin udał się do Stanów Zjednoczonych, Japonii, Niemiec i Holandii, aby promować litografię zanurzeniową i sprzedać swój pomysł producentom maszyn litograficznych. Spotkał się jednak z odrzuceniem ze strony większości gigantów branży, a Nikon nawet naciskał na TSMC, aby go „zabiło”.

W tej sytuacji Lin pokładał ostatnią nadzieję w ASML i ten go nie zawiódł. Kiedy rozwój technologii i przemysłu znalazł się na rozdrożu, firma ASML wybrała przełomowe innowacje i wygrała.

W 2003 roku firmy ASML i TSMC współpracowały nad opracowaniem pierwszego urządzenia do litografii zanurzeniowej, TWINSCAN XT:1150i, którego udoskonalona wersja ukazała się rok później. W tym samym roku firma Nikon, przy powolnym postępie w badaniach i rozwoju, wreszcie wprowadziła na rynek prototyp maszyny do litografii suchej 157 nm.

Jedną z nich była nowa technologia, która wykorzystywała oryginalne źródło światła o długości fali 193 nm i ewoluowała do długości fali 132 nm w wodzie, natomiast druga była prototypem o długości fali 157 nm. Zalety litografii zanurzeniowej były oczywiste. Technologia ta stała się głównym rozwiązaniem litograficznym dla kolejnych węzłów procesowych, takich jak 65 nm, 32 nm, 16 nm i 7 nm, aż do obecnego węzła 3 nm.

Wybór jest większy niż wysiłek. ASML dokonał właściwego wyboru, podczas gdy Nikon i Canon dokonali złego. Rynek szybko przyjął maszyny do litografii zanurzeniowej, pozostawiając tradycyjne produkty do litografii suchej zalegające w magazynach i gromadzące kurz. To spowodowało, że miliardy dolarów przeznaczone na badania i rozwój firm Nikon i Canon poszły w błoto, a ich udział w rynku znacznie spadł. W ciągu 15 lat poprzedzających rok 2000 firma ASML była najmniejszym graczem na rynku maszyn litograficznych najwyższej klasy, z udziałem w rynku wynoszącym poniżej 10%. Wraz z komercjalizacją litografii zanurzeniowej do 2008 roku udział ASML w rynku osiągnął 60%, co stanowi samodzielną konkurencję.

Zakończyła się pierwsza fala konkursów na maszyny litograficzne oparte na technologii, a zwycięzcą została firma ASML.

Ciąg dalszy nastąpi...