ASML: líder mundial en maquinaria de fotolitografía

Europa tiene una fuerte dependencia en cuanto a tecnología. Es un problema que ya he destacado en otros artículos, y que se está intentando subsanar con iniciativas de Horizonte 2020. Si lees este blog, seguro que conoces iniciativas como GAIA-X, o como el proyecto EPI, De-RISC, etc. Pero lo cierto, es que no en todos los campos estamos en desventaja. ASML es un buen ejemplo de liderazgo mundial en la industria de semiconductores.

Y lo es en un segmento clave, ya que los productos que diseña y fabrica ASML son maquinarias imprescindibles para la fabricación de semiconductores. Herramientas tan vitales en una foundry como las máquinas de fotolitografía, de metrología e inspección, sistemas de reacondicionamiento, y software.

Introducción

Ante la guerra comercial y tecnológica entre EE.UU. y China, Europa está en medio de ambos, con ciertas carencias en el ámbito de la tecnología que deben subsanarse a la mayor brevedad. Europa no se puede permitir depender de otros países para sectores tan críticos como la industria aeroespacial, la del automóvil, el HPC, etc.

No puedes ni imaginar el daño que pueden causar casos como los del 5G y Huawei; lo ocurrido con la foundry SMIC por sus lazos con el sector militar chino; las tensiones entre China-Taiwán (punto clave en la industria de semiconductores); o las restricciones en las exportaciones de equipamiento/tecnología/software imprescindible para la fabricación de semiconductores. Y si al gigante chino les puede dañar, para Europa sería algo nefasto…

Pero mientras dependemos de multitud de productos, servicios, estándares, licencias y tecnologías extranjeras, también es cierto que podemos estar orgullosos de empresas como ASML. Una empresa clave que tiene como clientes compañías tan importantes como Intel, TSMC, Samsung, Toshiba, Hynix, IMEC, etc.

Además, en el sector en el que ASML compite, no solo son líderes (especialmente en fotolitografía EUV), sino que no hay demasiadas alternativas. Son pocos los privilegiados que se mueven en él, por lo que ASML se vuelve una pieza aún más importante en el tablero geopolítico. De hecho, solo hay un puñado de empresas tan competitivas, como Cymer Inc. (propiedad de ASML Holding), Nikon, Canon, KLA, Applied Materials, Carl Zeiss, y Lam Research.

Disputas entre competidores

Además de estas guerras geopolíticas, también dentro de la propia industria hay disputas legales sobre la tecnología de la litografía de inmersión. De hecho, ASML, Carl Zeiss y Nikon, firmaron un memorando de entendimiento relacionado con el plan para resolver estas rencillas y dar acceso a esta tecnología a todas las partes.

Según ese acuerdo, Nikon recibiría un pago único en efectivo (150.000.000€) y las tres empresas restantes firmarían un acuerdo de licencia cruzada que contempla el pago de regalías mutuas durante 10 años. Esas tasas pagadas entre empresas serían del 0.8% sobre las ventas de equipamiento de litografía de inmersión.

De esta forma, las empresas retirarían todos los cargos pendientes en los tribunales. Y se acuerda así un pacto por la «paz» para no demandar a las demás por la litografía de inmersión durante ese periodo.

Hay que explicar que la nipona Nikon, aunque no tienen la cuota de mercado que tienen sus contrincantes, fueron los pioneros en fotolitografía de inmersión en la industria de semiconductores. Como resultado de llegar primero, cuentan con multitud de patentes relacionadas con este tipo de equipamiento.

Teniendo en cuenta las cuotas de mercado de Nikon actuales, el mayor beneficiado del acuerdo es Nikon, mientras ASML será el que más tenga que pagar debido al volumen de ventas.

La empresa fue una de las más importantes en su época de auge durante las décadas de los 80s y 90s, cuando Nikon tenía el 50% y el 60% del mercado respectivamente. En esa época, ASML solo controlaba entre el 12 y el 25% de los envíos. Actualmente eso ha cambiado, con cifras cercanas al 85% para ASML, y con un 10% aproximado para Nikon, y algo más del 4% para Canon.

El punto de inflexión para que se diera ese vuelco fue a mediados de los años 1990. En mitad de esa década, las empresas estadounidenses, coreanas y taiwanesas líderes en la industria de semiconductores, como AMD, Intel, Samsung, Micron, TSMC, UMC, etc., comenzaron a contratar los servicios de ASML, haciéndose mucho más poderosa. De hecho, 2002 sería un año fantástico para ASML, superando por primera vez a Nikon en unidades vendidas. Fue entonces cuando Nikon comenzó con las demandas en los juicios al ver que perdía fuelle en los mercados…

TSMC es el actual fabricante de chips para fabless como AMD, NVIDIA,  los chips del proyecto EPI, Apple, Huawei, Sony, Qualcomm, Broadcomm, HiSilicon, etc. Cerca de medio millar de clientes entre sus filas.

La primera demanda de Nikon contra ASML y Zeiss (empresa que suministra las ópticas a ASML) fue a finales de 2001, acusándolos de infracciones de patentes (obligando a ambas empresas a pagar derechos de licencia hasta 2009). Luego ASML acusó a Nikon de infracciones de patentes en 2002. Ese sería el comienzo de una larga lucha judicial.

De hecho, en 2017, Nikon volvió a la carga demandado nuevamente a ASML y a su socio Zeiss, mientras ambos contra-demandaron a Nikon como respuesta.Pero con ese acuerdo, todo debería estar en calma hasta 2030…

Sobre ASML

El gigante europeo de la electrónica Philips y el fabricante de máquinas de chips ASMI (Advanced Semiconductor Materials Internationa) crearon una nueva empresa para desarrollar sistemas de litografía para el creciente mercado de semiconductores. Esto sucedería en 1984, y la empresa resultante se llamó ASM Lithography.

Esta empresa resultante también tendría sede en Países Bajos, como Philips. Pero, pese a lo que pueda parecer, sus comienzos no fueron nada sencillos. Esta empresa comenzaría en un cobertizo con goteras, cerca de las oficinas de Philips en Eindhoven.

Pese a todo, en el mismo año de la fundación, y sobre el I+D que se había forjado durante la década de los 1970, lanzarían su primer equipo llamado PAS 2000 Stepper para las obleas de semiconductoras (wafers).

Poco a poco, las inversiones de Philips y ASMI sobre ASML fueron escalando. Algo que ayudó al éxito. En 1985 ya contaban con 100 empleados, momento en el que se mudaron a la oficina y fábrica que se había construido recientemente en aquella época. La ubicación estaba en Veldhoven, solo a unos pocos kilómetros de los laboratorios de Philips.

En 1986 llegaría el stepper PAS 2500, con una nueva tecnología de alineación que sentaría las bases para futuros productos. Además, no fue un año positivo para ASML, estableciendo una asociación con el fabricante de lentes ópticas Carl Zeiss, una empresa alemana en óptica.

En 1988 ya había comenzado su andadura en el mercado asiático, cuando Philips estableció una foundry conjunta en Taiwán. En EE.UU. también se pasaría de unos cuantos empleados a 84 empleados en 5 oficinas. ASML marchaba lentamente, y con ella su legado. La joven empresa hacía enormes esfuerzos para hacerse hueco en un mercado feroz entre los gigantes ya establecidos en aquella época.

No sería sencillo, ya que a los pocos clientes de la época se le unían otras dificultades como el hecho de que su accionista ASMI no pudo continuar con las inversiones. La industria electrónica global empeoró, lo que obligó a Philips a reducir costes. ASML desarrolla tecnologías avanzadas que necesitan ingentes cantidades de dinero, por lo que todo se tambaleaba…

Los ejecutivos de ASML lograron persuadir a Henk Bodt, un miembro de la junta directiva de Philips, para que siguieran con la inversión en I+D. Ese dinero se usó para crear la PAS 5500, que resultó ser una plataforma innovadora. Eso atrajo a unos clientes clave en la industria, siendo el primer paso hacia la madurez.

Esos progresos posibilitaron que ASML se transformara en una empresa pública totalmente independiente en 1995, cotizando en las bolsas de valores de Ámsterdam y Nueva York. Philips vendería sus acciones en los años siguientes, pero las inversiones seguían llegando para ASML.

En 2001, cuando comenzaron a competir con los gigantes japoneses, presentaron su máquina TWINSCAN, algo que revolucionaría el mercado de steppers. Un equipamiento avanzado capaz de ir exponiendo una oblea a los procesos de fotolitografía mientras que se hace la métrica y alineación de la siguiente. Eso mejora la productividad y precisión del sistema.

Luego, en 2003, llegaría la TWINSCAN AT: 1150i, la primera máquina de inmersión (usa agua entre la lente y la oblea para resolver algunos problemas de exposición) de ASML. Tras ella llegaría la TWINSCAN XT:1700i, que sería la primera máquina en volumen para inmersión en 2006. Un año más tarde llegaría la TWINSCAN XT:1900i, el primer equipo de inmersión que usaba onda de 193nm para la exposición. Eso mejoraba la capacidad para producir dispositivos aún más pequeños.

En ese mismo año, ASML adquirió BRION, uno de los proveedores líderes en soluciones para la fabricación y diseño de semiconductores. Así comenzaría a fraguarse sus productos de litografía holística, con productos como YieldStar (sistema de metrología para mediciones y correcciones en tiempo real durante la fabricación de chips).

Cuando llegó 2010, también vendría el primer prototipo de EUV (Extreme Ultraviolet), la NXE: 3100), que posibilitaba fabricación con nodos aún más reducidos gracias al uso de luz de una longitud de onda más corta que se sitúa en el espectro electromagnético por encima de la UV.

Cymer, el fabricante de fuentes de luz para litografía con sede en San Diego, también sería otra de las compras que asumió ASML. Con esta adquisición de 2013 se aceleraba el desarrollo de las máquinas EUV. Esto posibilitaría mejoras en los sistemas EUV de siguientes generaciones.

La cartera de compras no quedó ahí, ASML también se haría con HMI (Hermes Microvision Inc.), otro proveedor líder, esta vez de herramientas de metrología de haz de electrones (e-beam). Eso daría como resultado la creación del sistema ePfm5 en 2017, el primer sistema de metrología de fidelidad para e-beam.

Mapper, otra empresa holandesa de litografía por haz de electrones, quebraría. ASML aprovechó esta oportunidad para adquirir los activos de propiedad intelectual, y sus empleados de investigación y producción. Otro puntal más hacia el liderazgo en el campo de la e-beam que llegará tras EUV.

El resto es presente y futuro…

Más información – ASML

Productos y servicios

Entre los productos y servicios más destacados de ASML se pueden destacar algunos como los siguientes:

• Sistemas de fotolitografía: el principal negocio de ASML está en las máquinas de fotolitografía. Tanto DUV como EUV. Unos equipos que son los que permiten realizar los procesos capaces de crear los dispositivos electrónicos (transistores, resistencias, condensadores,…) sobre la superficie y el resto de capas del chip (capas de pasivación, interconexiones,…).
• Metrología e inspección: ASML también cuenta con soluciones para hacer mediciones e inspecciones (capaces de analizar miles de millones de patrones de forma individual cada chip en busca de defectos) de forma rápida de las obleas de silicio, permitiendo llevar información detallada en tiempo real a los sistemas de litografía. Así se permite mantener la fabricación en gran volumen de chips.
• Software: aportan soluciones de software como herramientas necesarias para la industria semiconductora. El software se desarrolla como complemento de los sistemas de litografía, siendo híbridos de HW/SW.

Curiosidades

Las máquinas de fotolitografía ASML son enormes y muy sofisticadas, y como curiosidad decir que su precio puede llegar a ser extremadamente caro. Por ejemplo, la TWINSCAN NXE:3400C puede costar más de 100.000.000€.

Para que te hagas una idea, TSMC cuenta con una capacidad global de unos 13.000.000 wafers de 300mm por año (en 2020). Cada oblea tiene un precio de salida de 7.902€ por unidad para los de 7nm, y de 14.363€ por unidad en el caso de los de nodo de 5nm. Esos precios y volúmenes hacen que sea rentable adquirir estas máquinas…

Pero puede trabajar con una hasta 170 wafers por hora (obleas de 300mm), con tecnología EUV, y para desarrollar nodos de fabricación de 7 y 5nm. El modelo pesa unas 180 toneladas, y necesita de unos 20 camiones, o 3 aviones grandes, cargados para transportar todas sus partes.

Y no creas que algunas foundries escatiman en gastos comprando pocas unidades. No hace mucho, TSMC ha comprado un pack de 18 unidades de la máquina TWINSCAN NXE:3400B para fotolitografía EUV por 120.000.000$ cada una, lo que supone un valor total de 2.160.000.000$ (2.16 *billones de dólares americanos), una cifra realmente astronómica.

*Recuerda que existe el billón «americano» o de escala corta (mil millones), y el billón europeo o de escala larga (un millón de millones). Es algo que lleva a muchas confusiones, además del uso del sistema de unidades imperiales y las métricas…