Die Optiken von Zeiss SMT wie der „Objektivturm“ Starlith 1950i sind die Herzstücke der Waferscanner von ASML (Fotos: ASML, Zeiss).

Ein eindrucksvolles Praxisbeispiel für den möglichen Erfolg beharrlicher Innovationstätigkeit bietet Zeiss Semiconductor Manufacturing Technology (SMT). SMT ist im Technologie-Konzern Zeiss der Geschäftsbereich für Produkte, die in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden. In Chipfabriken gehören Waferstepper und Waferscanner zu den wichtigsten Produktionsanlagen. In einem Waferscanner wie dem NXT:1950i von ASML werden die Strukturen der späteren Halbleiterbauelemente von einer Maske auf die Wafer übertragen. Anlagen für diesen (Photo-)Lithographie genannten Prozess liefern weltweit nur das niederländische Unternehmen ASML und die beiden japanischen Firmen Nikon und Canon.

Von Zeiss SMT kommen die rund eine Tonne schweren Optiken, die in den ASML-Anlagen für eine nanometergenaue Belichtung sorgen. Zeiss und ASML bildeten seit gut 20 Jahren ein eingespieltes Innovationsduo. SMT liefert seine Objektivtürme allein für die Stepper und Scanner des holländischen Systemintegrators.

In den 1990er Jahren war Nikon mit annähernd 50 Prozent Marktanteil der Platzhirsch auf dem Lithographie-Markt. Platz 2 ging bis zum Jahr 2000 meist an Canon. 2004 startete ASML die Auslieferung eines neuen Waferscanners, der – ausgestattet mit einem Argonfluorid (ArF)-Laser – erstmals das Prinizip der Immersionslithographie zur Marktreife brachte. Mit diesem Sprung von der ArF dry- auf die „nasse“ ArF-i-Technologie (ArF + „i“ für Immersion) schob sich ASML auf die Pole Position. Nach ausgelieferten Lithographie-Systemen liegt der Marktanteil bei rund 60 Prozent, nach Umsatzerlösen sogar bei 70 bis 80 Prozent.

Diese Situation würde sich mit einem radikalen Technologiesprung sogar noch stärker in Richtung einer monopolartigen Stellung von ASML/Zeiss SMT verändern. Die Extreme Ultraviolet-Lithograghy (EUV) scheint fast marktreif. Nach jahrzehntelangen F&E-Aktivitäten auf diesem Feld hat ASML ein erstes, NXE:3300B genanntes EUV-System an TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) geliefert. Da stellt sich für manche schon die Frage, ob Nikon oder Canon überhaupt jemals wieder zu ASML aufschließen können.

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Technologiesprünge auf dem Lithographie-Markt

Auch heute folgt die Entwicklung in der Halbleiterei dem legendären Mooreschen Gesetz. Alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der integrierten Schaltungen (ICs), die zu günstigsten Herstellkosten auf einen Mikrochip gepackt werden können. Das sagte 1965 der spätere Intel-Mitgründer Gordon Moore voraus. Im Zuge dieser Entwicklung wurden (und werden) die Maße der Strukturen immer winziger, die sich auf den Wafern gestalten lassen, aus denen Mikrochips werden. Hier mal eine Zahl zur Orientierung: Bei Intel puzzelt man gerade an dem Problem herum, ab Ende 2014 erste Mikroprozessoren mit 14 nm-Strukturen zu fertigen (→ golem.de).

Eine maßgebliche Leistungsgröße von Lithographiesystemen ist das Auflösungsvermögen, also die Fähigkeit des optischen Systems, diese kleinsten Strukturen abzubilden. Das hängt wesentlich von der Wellenlänge der eingesetzten Lichtquelle ab. Je kleiner die Wellenlänge, desto kleiner die erreichbare Auflösung. Mit Hilfe dieses kurzen physikalisch-technischen Vorspanns wird – hoffentlich – die nachfolgende Darstellung verständlich. Sie ist in einer Präsentation enthalten, die der Zeiss SMT-Chef Hermann Gerlinger 2010 gehalten hat. Der „revolutionäre“ Übergang von ArF dry (mit 193 nm Wellenlänge) zu ArF-i (Immersionslithographie mit 193 nm Wellenlänge) war da schon vollzogen. Der „Quantensprung“ auf die EUV-Lithographie war noch Zukunftsmusik, beschäftigte aber bereits intensiv die Halbleiterbranche.

Technological Leaps in Litho Business
248 nm
dry
193 nm
dry
193 nm
Immersion
13,5 nm
EUV (Volume)
Resolution ≤ 110 nm ≤ 65 nm ≤ 38 nm ≤ 22 nm
Source KrF-Laser
30 W
ArF-Laser
45 W
ArF-Laser
60 W
EUV
> 250 W
Projection Optics refractive,
spherical
refractive,
aspherical
catadioptic,
strong aspherical
mirrors only,
aspherical
Environment Air Air Air & Fluid Vacuum
Quelle: → Präsentation H. Gerlinger (Zeiss SMT), November 2010

In der Literatur findet sich häufig die Unterscheidung, technologische Innovationen seien entweder inkrementell (synonym: graduell, evolutionär) oder radikal (prinzipiell, revolutionär). Die letzten Technologiesprünge in der Litho-Branche zeigen, dass diese Entweder-oder-Einstufung in manchen Fällen zu kurz greift, um den Neuheitsgrad komplexer Systeminnovationen angemessen zu beschreiben. Allerdings steht außer Frage, dass die erfolgreiche Implementierung der EUV-Technologie eine radikale Innovation bedeuten würde [→ Anm. 1].

„Im Unterschied zu den optischen Verfahren mit Laserstrahlen bei 248 oder 193 Nanometern Wellenlänge lässt sich 13,5-Nanometer Licht nicht mehr mit klassischen Linsen bündeln, brechen und durch transparente Strukturmasken auf den Wafer lenken. Alle bekannten Materialien sind für das EUV-Licht schlicht und einfach undurchlässig. Ein komplexes System aus hochreflektiven Spiegeln tritt an die Stelle der Linsen.“

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ASML hat ein erstes, NXE:3300B genanntes Extreme Ultraviolet-Lithography-System
an TSMC geliefert. In der Grafik oben sind die Spiegel gut zu erkennen, die an die Stelle des Objektivturms treten (Quelle: ASML, high-res-Grafik)

Im Gegensatz zum großen Sprung in Richtung EUV-Lithographie hat der „revolutionäre“ Satz zur ArF-i-Technologie schon stattgefunden und hinterlässt in der Verkaufsstatistik der Branche deutliche Spuren.

Marktüberblick und Szenario

Die Fundgrube Internet ist unerschöpflich. Beim Googlen zu Stichworten wie „Semiconductor Equipment Lithography ASML Zeiss“ mit der Einschränkung „filetype:pdf“ stößt man schnell auf die umfangreiche Studie „Semiconductor Equipment“ der Berenberg Bank. Die Analyse erschien Mitte 2013 und enthält neben viel Zahlenwerk zur Halbleiterindustrie auch 25 Seiten, in denen es um ASML geht.

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Auf Seite 33 der Studie gibt’s eine Übersicht, die für fünf Segmente des Lithographie-Marktes auflistet, wie viele Systeme die drei Rivalen ASML, Nikon und Canon in den Jahren 2009 bis 2012 ausgeliefert haben. Die beiden Berenberg-Analysten Tammy Qiu und Jean Beaubois haben vor einem Jahr auch eine Prognose bis 2015 gewagt.

Lithography tool unit shipment
Type ASP Firm 2009 2010 2011 2012 2013* 2014* 2015*
i-Line 4-5 ASML 12 23 20 15 15 12 8
Mio € Nikon 4 16 35 16 21 20 15
Canon 8 23 45 43 40 38 38
KrF 9-12 ASML 17 68 87 78 52 50 32
Mio € Nikon 16 12 28 3 6 8 10
Canon 3 6 7 3 3 2 1
ArF Dry 20-23 ASML 10 12 11 4 4 8 8
Mio € Nikon 1 1 3 8 11 8 8
Canon 0 0 0 0 0 0 0
ArF-i 35-40 ASML 31 94 101 72 69 72 67
Mio € Nikon 15 28 18 13 15 13 8
Canon 2 0 0 0 0 0 0
EUV 70-100 ASML 0 0 3 1 3 15 24
Mio € Nikon 0 0 0 0 0 0 2
Canon 0 0 0 0 0 0 0
Total number of units 119 283 358 256 239 246 221
ASP = Average Selling Price // * = Prognose // Quelle: → Berenberg Bank 2013

Man beachte die Spalte „ASP (Average Selling Price)“. Die leistungsfähigeren Systeme (ArF dry, ArF-i, EUV) sind in puncto Preis in einer ganz anderen Liga einzuordnen als die „einfachen“ KrF- und i-Line-Systeme. Canon hat sich mit der KrF-Technologie aus dem weiteren Technologie-Wettlauf verabschiedet. Und Nikon ist bei den High-End-Systemen – ArF-i und EUV – deutlich hinter ASML zurück bzw. noch gar nicht präsent. An der Dominanz des holländisch-schwäbischen Innovationsduos ASML/Zeiss SMT wird sich in den kommenden Jahren wohl auch nichts ändern.

Die Berenberg-Analysten meinen: „We do not believe that Nikon will benefit from the depreciation of the yen, and gain share from ASML. In our opinion, chip-makers are unlikely to switch tool vendors purely due to lower price because: 1) high specification and reliability are more important because they can affect yield rates; and 2) the extra reconfiguration and integration cost associated with new tools can easily exceed savings from tool prices.“
„Semiconductor Equipment“, Studie der Berenberg Bank (2013)

Bei den ArF-i-Systemen müssten ASML und Zeiss nach den Grundregeln der BWL enorm von den Größenvorteilen (Economies of Scale) ihrer Vormachtstellung profitieren. Wenn sich außerdem für EUV die Berenberg-Prognose bestätigen sollte, wären Ende 2015 bei allen großen Chipherstellern schon zwei, drei EUV-Anlagen von ASML in Betrieb. Selbst wenn Nikon dann versuchen würde, mit hohen Preisnachlässen Marktanteile zu erobern, stehen die Chancen für den Nachzügler schlecht. Die Integrationskosten des Sich-vertraut-Machens mit dem Nikon-Equipment werden den Japanern einen späten Einstieg bei Intel & Co. deutlich erschweren.

Die Entwicklungen auf dem Lithographie-Markt belegen eindrucksvoll die möglichen Vorteile einer First-Mover-Strategie im High-Tech-Business. Unter dem Stichwort → Zeitwettbewerb wurden in diesem Blog schon mehrere ähnliche Fälle diskutiert. Bei ASML und Zeiss SMT ist bemerkenswert, dass dem Innovationsduo (bisher) nicht der typische Fehler „Leaders tend to lose“ unterlief. Parallel zur ArF-i-Innovation wurde die EUV-Technologie weiterentwickelt. So bieten die beiden Unternehmen ihrem verbliebenen Konkurrenten Nikon derzeit keine Angriffsfläche.

EUV kommt später

Bei Voraussagen wie derjenigen der Berenberg Bank zur EUV-Lithographie ist allerdings große Vorsicht geboten. Jahresgenaue Absatzprognosen für völlig neue Produkte sind oft sehr schnell wieder Makulatur. Nicht selten werden bei radikal neuen Systemtechnologien die Chancen zu optimistisch eingeschätzt, die Zeitpunkte von Marktdurchbrüchen zu früh vermutet und die noch zu überwindenden Barrieren unterschätzt. Im Moment sieht es ganz danach aus, als wäre die EUV-Lithographie ein solcher Fall (und in dieser Hinsicht in Gesellschaft elektrischer Antriebstechnologien für’s Auto).

„Extreme ultraviolet (EUV) lithography is at a crossroads. […] Originally aimed for the 65nm node in the late 1990s [!], EUV has missed a number of insertion windows despite strong industry support and billions of dollars spent on the technology. As of now, EUV remains delayed and will miss the 10nm node. Chipmakers are targeting EUV for 7nm, although the technology could get pushed out to 5nm. As before, there are still issues with the EUV source, mask infrastructure and resists.“
Semiconductor Engineering, „EUV Reaches A Crossroads“

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Der große Knackpunkt ist die EUV-Quelle. Von den angestrebten 250 Watt ist man noch weit entfernt.

„[T]he biggest challenge with EUV is the power source, which determines the overall throughput of a system. At one time, ASML/Cymer promised to ship a 100-Watt source by the end of 2012, but the system remains delayed. To date [March 2014], the source only generates 10-Watts of power, enabling a throughput of less than 10 wph [wafers per hour]. At that rate, EUV is nearly impractical for mass production. […] For mass production, the industry requires a throughput of around 126 wph.“
Semiconductor Engineering, „EUV Reaches A Crossroads“

ASML hat Mitte 2013 eine Power Roadmap veröffentlicht, nach der ein für die Massenproduktion von Chips taugliches 250-Watt-EUV-System erst Mitte 2015 zu erwarten ist. Mit anderen Worten: Die Marktprognose der Berenberg Bank war für die EUV-Technologie zu optimistisch.

In den ASML-Präsentationen der „Financial Results“ gibt es auch immer einen Abschnitt „Technolgy Status“. In der Präsentation der 2013Q2-Ergebnisse vom 17. Juli 2013 ist auf Folie 21 diese Power Roadmap zu finden (Quelle: ASML, Grafik im pdf-Dokument)

An den Machtverhältnissen in den anderen Marktsegmenten ändern die technischen Schwierigkeiten mit EUV allerdings nichts (allenfalls an den Absatzmengen). Es sieht ganz danach aus, als würden ASML und Zeiss SMT den ArF-i-Markt in den nächsten Jahren stärker beherrschen, als man es bei der Fußball-Bundesliga vom FC Bayern München erwartet. Für Nikon bildet nur der mögliche Wechsel von den heute gängigen 300mm- zu 450mm-Wafern einen kleinen Silberstreif am Horizont (→ timesunion.com) .

Vom Innovationsduo zum Innovationsnetzwerk

ASML und Zeiss SMT sind schon seit gut 20 Jahren als Lieferant und Systemintegrator in einer strategischen Allianz eng verbunden. Wie oben schon erwähnt, liefert Zeiss seine Optiken nur für die Systeme der Niederländer.

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In Bezug auf die Akteure im ASML-Innovationsnetzwerk sind zwei aktuelle Entwicklungen erwähnenswert: (1) ASML hat 2012 für 2 Milliarden US-Dollar den langjährigen Lieferanten und Laserspezialisten Cymer übernommen. Zweck der Akquisition ist laut ASML die Beschleunigung der EUV-Entwicklung. (2) Zur selben Zeit haben Intel, Samsung und TSMC angekündigt, sich mit mehreren Milliarden Euro an ASML selbst und an dessen Customer Co-Investment Program for Innovation zu beteiligen.

„Under the Co-Investment Program […] ASML will accelerate the development of key lithography technologies needed to extend Moore’s Law, notably Extreme Ultraviolet (EUV) lithography. These technologies will benefit the entire industry, and will enable smarter, more powerful, more energy-efficient and cheaper electronic devices for consumers.“

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Durch den Kauf von Cymer und den Einstieg der drei Lead User ist rund um den Nukleus ASML ein noch stärker als bisher verbündetes EUV-Innovationsnetzwerk enstanden. In den 1990er Jahren hieß es, „Network against Network“ sei das Muster, nach dem künftig der Wettbewerb in vielen Branchen ausgetragen würde. Dagegen fällt die ASML-Cymer-Zeiss-SMT-Intel-Samsung-TSMC-EUV-Koalition – man könnte sie „Moore’s Network“ nennen, oder? – wohl eher unter die Kategorie Network against Physics.

Anmerkung:
[1] Mit dem → Neuheitsgrad technologischer Innovationen beschäftigen sich mehrere bereits erschienene Postings. Speziell zur Kategorie der → radikalen Innovationen wurden einige Beispiele diskutiert, zuletzt das Elektroauto BMW i3 (→ „BMWs i3 als radikale Innovation“).
Erläuterungen zu inkrementellen, modularen und „architektonischen“ (architectural) Innovationen enthält → „20 Jahre Innovationsmodell von Henderson und Clark“.
Nach dem Henderson/Clark-Schema würde ich den Schritt von 248nm KrF dry zu 193nm ArF dry, den der Zeiss-Manager als „Evolution“ sieht, als modulare Innovation einstufen. Die Einführung von ArF-i, der Immersionslithographie, erscheint zwar weniger radikal als der angelaufene EUV-Hochlauf, ist aber als „architectural innovation“ nur unzureichend beschrieben. „Architectural plus“ oder „almost radical“ würden wohl passen.[↑]

Verwandter Blog-Eintrag:
Pleite eines notorischen Zu-spät-Kommers
Ganz anders als Zeiss SMT, dem erfolgreichen Equipment-Hersteller, erging es Qimonda, dem aus dem Infineon-Konzern ausgegliederten Speicherchiphersteller. Ende Januar 2009 meldete Qimonda Insolvenz an. Das Beispiel unterstreicht die Bedeutung des Zeitfaktors in High-Tech-Branchen.