Olhando para o desenvolvimento histórico, a evolução e a aplicação das máquinas de litografia (referindo-se especificamente àquelas utilizadas nos processos front-end de fabricação de circuitos integrados) encontraram muitas reviravoltas. No geral, existem dois períodos dignos de nota. A primeira foi quando a ASML emergiu como um player dominante ao alavancar a tecnologia de imersão, superando os líderes anteriores do setor. Esta foi uma batalha de tecnologias. O segundo período começou com a comercialização da litografia ultravioleta extrema (EUV), à medida que a competição por nós de processos avançados (a partir de 16nm) se intensificava entre TSMC, Samsung e Intel, que competiam pela capacidade limitada de EUV. Esta foi uma batalha de negócios.

A partir da situação atual, está se formando a terceira onda de competição em máquinas de litografia, que deverá ser mais complexa e intensa do que as duas ondas anteriores.

A primeira onda: Contra-ataque

Em 1957, Jay Lathrop e James Nall, de um laboratório do Exército dos EUA, patentearam a tecnologia de fotolitografia, que foi usada para depositar tiras de metal em substratos cerâmicos para conectar transistores discretos. Em 1959, Lathrop ingressou na Texas Instruments e Nall foi para a Fairchild Semiconductor. Em 1958, Jay Last e Robert Noyce fabricaram a primeira câmera "step-and-repeat" na Fairchild Semiconductor, usando fotolitografia para fazer muitos transistores em um único wafer. Este foi o protótipo da máquina de fotolitografia.

Na década de 1980, a GCA Corporation dos Estados Unidos dominou o mercado global de máquinas de fotolitografia. Porém, devido à pressa em entregar os equipamentos aos clientes sem a devida inspeção, centenas de lentes defeituosas foram enviadas ao mercado. Quase no mesmo período, a Nikon do Japão melhorou o sistema de focagem da máquina de fotolitografia e desenvolveu objetivas de linha G com uma abertura numérica maior, o que permitiu ao sistema projetar padrões minúsculos no fotorresistente com mais clareza. Esta inovação permitiu rapidamente que a Nikon dominasse o mercado e os clientes abandonaram as máquinas de fotolitografia da GCA, fazendo com que a GCA diminuísse rapidamente.

Ao mesmo tempo, a Canon também lançou produtos aprovados pelo mercado, tornando-se um dos dois líderes na indústria de máquinas de fotolitografia na altura, juntamente com a Nikon.

Enquanto isso, com base no seu sucesso em máquinas de fotolitografia step-and-scan, a ASML gradualmente se recuperou, especialmente com seu icônico produto PAS 5500, que foi altamente elogiado pelo mercado. Após anos de trabalho árduo, a ASML se tornou um gigante na era das máquinas de fotolitografia step-and-scan.

No entanto, naquela época, a posição da ASML na indústria não era tão proeminente como é agora e era ligeiramente inferior à da Nikon e da Canon.

O domínio da ASML na indústria de máquinas de fotolitografia originou-se da atualização do processo de 193nm para 157nm. Antes disso, as máquinas de fotolitografia step-and-scan usavam a rota da tecnologia seca (o meio de exposição é o ar) e apoiavam o avanço tecnológico usando fontes de luz de exposição de nível mais alto. Em busca de uma resolução mais alta, o comprimento de onda da fonte de luz mudou dos 365 nm iniciais para 248 nm e depois para 193 nm. Depois disso, foi difícil continuar nesta rota tecnológica.

Naquela época, a indústria enfrentava duas escolhas: melhoria tecnológica e disrupção. Os dois gigantes Nikon e Canon optaram por melhorar o seu caminho tecnológico existente, enquanto a ASML optou por apostar porque surgiu uma nova tecnologia de imersão.

A litografia de imersão, proposta por Benjamen Lin na época em que ele era cientista na TSMC, usou de forma criativa a água como meio de imersão. Ele ainda usava a fonte de luz original com comprimento de onda de 193 nm, mas através da refração da água, o comprimento de onda que entra no fotorresiste foi reduzido para 134 nm. O índice de refração de uma fonte de luz de 193 nm no ar é 1, enquanto na água é 1.4. Isto significa que sob as mesmas condições de fonte de luz, a resolução das máquinas de litografia de imersão pode ser melhorada em 1.4 vezes.

No entanto, essa tecnologia parecia ousada demais na época, com grandes dificuldades técnicas e custos elevados. Os beneficiários das tecnologias tradicionais de litografia relutavam em aceitá-la. Lin viajou para os Estados Unidos, Japão, Alemanha e Holanda para promover a litografia por imersão e vender sua ideia aos fabricantes de máquinas de litografia. Mas ele enfrentou a rejeição da maioria dos gigantes da indústria, e a Nikon chegou a pressionar a TSMC para "matá-lo".

Nesta situação, Lin colocou a sua última esperança na ASML, e esta não o decepcionou. Quando o desenvolvimento da tecnologia e da indústria atingiu uma encruzilhada, a ASML escolheu a inovação disruptiva e ganhou a aposta.

Em 2003, a ASML e a TSMC cooperaram para desenvolver o primeiro equipamento de litografia por imersão, o TWINSCAN XT:1150i, que foi seguido por uma versão aprimorada no ano seguinte. No mesmo ano, a Nikon, com progresso lento em pesquisa e desenvolvimento, finalmente apresentou um protótipo de uma máquina de litografia seca de 157 nm.

Uma era a nova tecnologia que usava a fonte de luz original de 193 nm e evoluiu para um comprimento de onda de 132 nm através da água, enquanto a outra era um protótipo com comprimento de onda de 157 nm. As vantagens da litografia de imersão eram evidentes. Essa tecnologia se tornou a solução principal de litografia para nós de processo subsequentes, como 65nm, 32nm, 16nm e 7nm, até o atual nó de 3nm.

A escolha é maior que o esforço. A ASML fez a escolha certa, enquanto a Nikon e a Canon fizeram as escolhas erradas. O mercado rapidamente abraçou as máquinas de litografia por imersão, deixando os tradicionais produtos de litografia seca parados em armazéns acumulando poeira. Isto fez com que os milhares de milhões de dólares em despesas de investigação e desenvolvimento da Nikon e da Canon fossem por água abaixo e a sua quota de mercado diminuísse significativamente. Nos 15 anos anteriores a 2000, a ASML era o menor player no nível superior de máquinas de litografia, com uma participação de mercado inferior a 10%. Com a comercialização da litografia de imersão, até 2008, a participação de mercado da ASML atingiu 60%, destacando-se sozinha.

A primeira onda de competição de máquinas de litografia impulsionada pela tecnologia terminou e a ASML emergiu como a vencedora.

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