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Les débuts d’ASML

ASML a été fondée en 1984. De base, c’était une joint-venture entre deux entreprises néerlandaises : Philips et ASM International (côté en Bourse).

D’ailleurs, ASML est l'acronyme de "ASM Lithography"

La première machine a été mise sur le marché en 1985 est le stepper PAS 2000.

À ses débuts, ASML peine à être compétitif dans cette industrie de pointe. Durant ses six premières années, l’entreprise est déficitaire, ce qui pousse ASM International à vendre ses parts à Philips et à des banques.

En 1984, le marché est dominé par des entreprises américaines comme Ultratech, Eaton, GCA, et Perkin Elmer, mais celles-ci commencent à perdre du terrain. Pendant ce temps, les japonais Nikon et Canon gagnent rapidement en parts de marché, devenant prédominants à la fin des années 80.

Pendant ce temps, ASML n’arrive toujours pas à se faire une place dans cette industrie très concurrentielle.

En 1990, Philips décide de se séparer d’ASML, ne souhaitant plus soutenir une entreprise en perte. Malgré ce revers, ASML continue de se battre pour survivre et, en 1991, lance son premier succès commercial : le stepper I-Line, le PAS 5500.

L’I-Line utilise une lumière d’une longueur d’onde de 365 nm, une avancée technologique majeure à l’époque, permettant aux fondeurs de concevoir des structures plus petites et donc de produire des puces plus avancées.

Durant les années 80 et 90, les avancées en lithographie transforment l’industrie. Il devient plus facile de réduire la taille des transistors en diminuant la longueur d’onde. (Je reviendrai plus bas sur l’importance de la longueur d’onde pour réduire la taille des nœuds).

Cette approche s’avère si efficace qu’elle surpasse toutes les autres alternatives pour améliorer la miniaturisation et augmenter le nombre de transistors par puce.

Le succès de ce produit permet à ASML de gagner rapidement des parts de marché dans le domaine des machines de photolithographie.

En 1995, ASML capitalise sur cette percée et sur la consolidation du marché des machines de lithographie pour poursuivre son développement, nécessitant d’importants capitaux.

Dès le milieu des années 1990, un oligopole se forme entre Canon, Nikon et ASML, les autres acteurs ayant quitté le marché ou été absorbés.

3 grandes évolutions technologiques bien maîtrisées par ASML vont ensuite permettre à l’entreprise néerlandaise de devenir le leader incontesté de la lithographie dans les années 2000.

Comment ASML est devenu le leader incontesté (et incontestable) de la lithographie avant l’EUV

Avant de poursuivre, je veux juste prévenir que la partie sur l’histoire d’ASML sera plus longue dans cette newsletter. Je pense sincèrement que c’est très important pour comprendre les dynamiques de ce marché et les avantages compétitifs qui ont permis à ASML d’atteindre cette position de domination sans partage.

Percée 1 : Le TWINSCAN

Avec l’arrivée du nouveau millénaire, ASML a compris qu’il devait adopter une approche radicalement innovante pour apporter à ses clients une réelle avancée en productivité.

Il ne s’agissait pas uniquement de réduire encore la résolution minimale (ou critical dimension en anglais). ASML et ses concurrents ont pour objectif non seulement de permettre la production de puces toujours plus avancées, mais aussi de le faire de manière économiquement viable.

Trois paramètres doivent donc être optimisés simultanément :

• La résolution : mesurée par la taille de la résolution minimale, en nanomètres.

• La productivité : calculée en nombre de wafers traités par heure.

• Le rendement : évalué par divers indicateurs, comme le pourcentage de die qui réussissent les diagnosticss.

Ainsi, même si ASML parvient à fabriquer une machine ultra-performante pour réduire la résolution minimale, elle ne sera jamais rentable pour les fonderies si elle est trop lente.

De même, si la machine manque de précision ou génère trop de défauts, cela réduit le rendement et rend le processus non rentable. Avec un processus de fabrication comprenant entre 800 et 1200 étapes pour les puces de 16 nm de résolution minimale, il est essentiel que le rendement de chaque étape soit presque parfait pour que l’ensemble soit économiquement viable.

Pour donner un ordre de grandeur, TSMC a atteint un rendement de 95-96 % pour les puces de 16 nm, un niveau exceptionnel. On mesure difficilement le niveau d’ingénierie nécessaire pour atteindre ces rendements sur des composants infinitésimalement petits.

Ok, revenons maintenant au TWINSCAN. Au début des années 2000, ASML décide de concentrer ses efforts sur une amélioration drastique de la productivité.

Comme souvent, l’idée paraît évidente après coup, mais à l’époque, elle ne l’était pas. Dans les machines des années 90, les wafers devaient être scannés précisément avant que le motif soit exposé dessus, une étape qui existe toujours bien sûr.

Cependant, à l’époque, le scan et l’exposition étaient réalisés séparément. Les acteurs de l’industrie cherchaient à optimiser la productivité en réduisant le temps de chaque étape de manière indépendante.

L’idée d’ASML est différente et sacrément innovante : pour gagner encore plus de temps, pourquoi ne pas scanner un wafer pendant que le précédent est encore en cours d’exposition ?

C’est comme ça que la plateforme TWINSCAN est née.

Le TWINSCAN a été le premier – et reste à ce jour le seul – système de lithographie permettant de scanner et exposer simultanément les wafers. Pendant que le wafer sur la table un est exposé, un autre wafer est chargé, aligné et cartographié sur la table deux.

Le gain en productivité est énorme. Dès la commercialisation de son premier modèle, le TWINSCAN AT:750T, ASML rencontre un succès commercial immédiat.

Pour le réaliser, la part de marché d’ASML double quasiment en une année passant d’un peu moins de 30% en 2001 à plus de 50% en 2002.

Percée 2 : La lithographie par immersion

Avant la technologie Extreme Ultra-Violet (EUV) qu’ASML est la seule à maîtriser, l’entreprise avait déjà pris de vitesse ses concurrents sur une autre technologie révolutionnaire : la lithographie par immersion

Au tournant du siècle, ce qui se fait de mieux en termes de lithographie utilise comme source de lumière utilisant un laser à fluore d’argon (ArF) d’une longueur d’onde de 193 nm.

Nous sommes déjà dans un système appelé DUV (Deep Ultra-Violet).

Ces machines pouvaient graver des nœuds d’une taille minimale de 90 nanomètres. Les améliorations successives de cette technologie ont permis à l’industrie de passer à des nœuds de 65 nanomètres.

En théorie, la transition devait se faire en douceur, passant de la gravure avec une lumière de 193 nanomètres à celle de 13,5 nanomètres grâce à l’arrivée de l’EUV (Extreme Ultra-Violet).

Mais un imprévu a changé la donne : l’EUV a pris 10 ans de retard.

En attendant cette avancée, l’industrie a dû exploiter au maximum les systèmes de lithographie DUV. Une des techniques clés pour cela a été la lithographie par immersion, où la lumière de 193 nm est projetée à travers de l’eau pour améliorer la résolution.

Comment marche la lithographie par immersion ?

Bon maintenant, passons au moment le moins agréable de cette newsletter, la partie technique.

Dans le domaine de la lithographie, leur équation de référence n’est pas celle de l’offre et de la demande mais la formule de Rayleigh :

👉️ CD = k1 x λ / NA

Où :

• CD signifie “Critical Dimension” ou la résolution minimale qu’on cherche à optimiser en l’abaissant au maximum

• k1 est un facteur ayant une limite physique, que nous avons déjà presque atteint et qui ne peut plus être optimisé

• λ représente la longueur d’onde de la lumière

• NA représente l’ouverture numérique (Numerical Aperture) de l'optique, qui définit la quantité de lumière peut capter.

Pour réduire la résolution minimale, il y a deux paramètres sur lequel les industriels peuvent jouer : la longueur et/ou l’ouverture numérique.

En cherchant à passer l’EUV, l’objectif est clair : réduire drastiquement la longueur d’onde pour faire un bond en avant.

En attendant, grâce à la lithographie par immersion, et en faisant passer le laser par de l’eau avant d’atteindre le wafer, on peut faire passer l’ouverture numérique d’un maximum de 0,93 à 1,35 (voire même plus).

En 2003, ASML a livré à ses clients le premier prototype de système de lithographie par immersion : le TWINSCAN XT:1150i.

Le premier stepper prêt pour la production de masse, le XT:1700i, a été lancé en 2006.

Les rivaux japonais d’ASML, Canon et Nikon, ont mis plus de temps à développer leurs propres outils d’immersion.

• Nikon a finalisé son prototype en octobre 2004, près de deux ans après ASML.

• Canon n’en a même jamais commercialisé, ce qui fait qu’elle a rapidement cessé d’exister sur le marché à partir de la deuxième moitié des années 2000.

La course ne s’arrête pas là. Après la première génération de machines à immersion, ASML et Nikon ont poursuivi le développement des générations suivantes.

Ces systèmes plus avancés atteignent une ouverture numérique jusqu’à 1,92, permettant aux fonderies d’atteindre une résolution minimale de 40 nanomètres. Cependant, chaque avancée pose de nouveaux défis, notamment pour le liquide d’immersion et les systèmes optiques.

Une fois encore, ASML a dominé cette course, renforçant sa position de leader du marché. En 2007, ils lancent leur premier système de production de masse, le XT:1900, qui servira de base à toutes les générations suivantes.

Enfin, 6 ans plus tard, en 2013, ASML a enfin livré son premier système basé sur la technologie EUV après des années de retard et des milliards d’euros de R&D.

Comment l’EUV est devenue la chasse gardée d’ASML

Évidemment, ASML n’était pas le seul acteur à chercher des solutions pour continuer à respecter la loi de Moore. Pour comprendre l’évolution de cette technologie novatrice, il faut remonter à 1997.

Cette année-là, ASML et l’ensemble de l’industrie des semi-conducteurs ont commencé à envisager la lithographie de nouvelle génération.

Il est important de noter que, dans cette industrie, chaque avancée technologique doit se faire de manière consensuelle.

Pourquoi ? Car les capitaux nécessaires pour financer la R&D (et les nombreux échecs en cours de route) ne peuvent être rentabilisés que si tous les fondeurs et tout l’écosystème adhèrent au nouveau standard.

Si ASML développait l’EUV de son côté sans que les autres étapes du processus soient adaptées, cela ne servirait à rien.

Ce principe s’applique à d’autres domaines. Par exemple, la taille des wafers est le fruit d’un consensus : aujourd’hui, ils mesurent 300 mm de diamètre. Ils devaient passer à 450 mm, mais TSMC n’a pas souhaité suivre, empêchant ainsi cette transition, qui aurait pourtant pu améliorer considérablement la productivité.

Les différentes pistes en compétition

En 1997, plusieurs pistes sont sur la table dont voici les principales : technologies étaient considérées comme des successeurs potentiels à la lithographie optique à 193 nanomètres. Voici les candidats principaux :

1. La lithographie par rayon X

2. La lithographie par projection d’électrons

3. La lithographie basée sur l’Extreme Ultra-Violet (EUV)

Chacune de ces options avait ses avantages et ses inconvénients, et surtout ses sponsors.

IBM avait investi un milliard de dollars dans la lithographie par rayons X, probablement le système le moins coûteux à exploiter. Cependant, les difficultés techniques notamment au niveau du masque l’a rapidement disqualifié.

Bell Labs (devenu Alcatel-Lucent, puis racheté par Nokia) ainsi que Nikon faisaient pression pour l’adoption de la lithographie par projection d’électrons.

Enfin, déjà investi sur cette technologie, Intel soutenait l’EUV. Cette technologie était la plus proche de la lithographie DUV et semblait être la continuité logique.

ASML de son côté a décidé de jouer sur tous les tableaux en travaillant sur l’EUV et la projection par électrons.

Pendant quelques années, les 2 projets cohabitaient. Cependant, au bout de quelques mois, ASML a claqué la porte du projet par projection d’électrons car les difficultés techniques paraissaient trop complexes.

De plus, la méthode par projection d’électrons avait un énorme problème : sa productivité était trop faible. Les estimations tablaient sur une productivité de 4,8 wafers par heure, contre 42 wafers par heure estimés pour l’EUV.

Comment ASML a gagné la course à l’EUV

ASML a concentré tous ses efforts sur l’EUV, tandis que Nikon misait plutôt sur la projection par électrons et le développement d’un système DUV avec une lumière de 157 nm de longueur d’onde.

Pour renforcer sa position, ASML a négocié et obtenu une licence auprès du consortium américain EUV LLC.

Ce consortium, fondé par des acteurs américains des semi-conducteurs comme Micron et Intel en collaboration avec le Département américain de l’Énergie, finançait des recherches et déposait des brevets sur l’EUV.

Pour accélérer le développement, ASML a acquis Silicon Valley Group en 2000. Cette société américaine de lithographie, peu connue du grand public, faisait également partie du consortium EUV LLC.

Ces événements ont permis à ASML d’obtenir un avantage décisif sur ses concurrents japonais. Surtout, EUV LLC n’a jamais donné de licences à Nikon et Canon.

Depuis, ils ont abandonné le développement de l'EUV. Premièrement, Canon a cessé ses efforts en 2007 pour des raisons financières, tandis que Nikon s'est obstiné à investir dans des technologies désormais obsolètes.

ASML a pris un risque important à un moment crucial. Surtout, ils ont pris les bonnes décisions stratégiques au bon moment. En 2006, le premier prototype a vu le jour.

En 2013, le premier système EUV a été livré, le TWINSCAN NXE:3300

Cependant, il a fallu faire encore beaucoup d’efforts pour que l’EUV devienne techniquement et industriellement viable.

Ainsi, pour renforcer l’alignement des intérêts en s’assurant qu’ils n’investissent pas tout cet argent inutiler et disposer de fonds supplémentaires pour avancer dans l’amélioration de la finalisation de l’EUV, ASML a pris une décision radicale en 2012 : proposer à ses principaux clients de participer au financement de la R&D d’ASML contre des parts de l’entreprise néerlandaise.

Intel (15% du capital), TSMC (5% du capital) et Samsung (3% du capital) répondront présent à ce partenariat. Pour information, ils ont tous cédé leur participations depuis.

Au final, en 2018, les fondeurs commenceront à investir massivement dans les machines EUV et 2019 sera la première année où les machines seront utilisé de façon importante dans la production de masse des puces les plus avancées.

Et maintenant ?

Le progrès n’est pas terminé car il est toujours possible d’améliorer la résolution minimale permise par l’EUV.

Comment ? De la même façon qu’avec la lithographie par immersion, en augmentant l’ouverture numérique.

C’est pourquoi, aujourd’hui, on parle de 2 types de machines EUV :

1. EUV Low-NA : C’est la famille de machines NXE avec une ouverture numérique de 0,33. Ce sont les machines EUV les plus utilisés aujourd’hui.

2. EUV High-NA : C’est la famille de machines EXE avec une ouverture numérique plus élevée de 0,55. Aujourd’hui, ce sont les machines les plus avancées qui existent mais elles n’ont toujours pas trouvé leur marché (j’y reviens plus bas). Seules quelques machines ont été livrés à Intel en début d’année.

Activités d’ASML

En 2023, ASML a réalisé un chiffre d’affaires de 27,56 milliards €. On peut regrouper ce chiffre d’affaires en 2 activités :

• La vente de machines de lithographie de toute génération. Ils vendent encore des machines I-Line.

• Des ventes de machines de métrologie et d’inspection. Ce n’est pas leur coeur de métier mais ils proposent des machines pour cette étape du process sur lequel KLA Corporation est le leader.

• De la maintenance et des upgrades sur la base installée. Les machines ont une durée de vie particulièrement longue donc, la base installée est importante.

Cette parte diffère en fonction des années, la vente de machines étant cyclique par nature : plus les ventes de machines sont élevées car on est en haut de cycle, plus la part des services sera faible et inversement.

Cependant, le chiffre d’affaires des services est amené à augmenter inexorablement à mesure que la base installée augmente. Et point important à noter, c’est une activité à plus forte marge que la vente de machines.

Cycle de vente d’ASML

Une système ASML ne se fait pas en un claquement de doigt. Ainsi, pour qu’un client soit livré, il faut compter entre 10 mois (grand minimum) et 18 mois après la réception de la commande.

Ainsi, comme plusieurs entreprises du secteur industriel, on peut estimer le chiffre d’affaires de l’année suivante en fonction du carnet de commandes de l’entreprise.

Ainsi, on pouvait anticiper le fort chiffre d’affairs en 2023 et que celui-ci, ralentirait en 2024 (ce qu’il s’est passé).

Décomposition par type de machines vendues

Quand on analyse ASML, l’erreur est souvent de croire qu’ils ne vendent que des machines EUV.

En 2023, la part des machines EUV vendues était de seulement 42%

Les ventes de machines de lithographie par immersion et DUV (regroupant les technologies ArFi, ArF Dry et KrF) restent majoritaires.

Bien sûr, ces chiffres sont volatiles d’une année à l’autre mais démontrent bien l’importances de technologies moins avancées sur lesquelles, ASML a toujours des concurrents même si dans les faits, ils dominent toujours largement ce marché.

De plus, les machines de toutes générations sont continuellement améliorer pour augmenter leur productivité et augmenter leur précision et ainsi les rendre plus attractives.

Le cycle d’innovation dans le secteur se passe souvent de la sorte : on sort une nouvelle machine qui réduit la résolution minimale avec des seuils acceptables de rendement et de productivité.

Puis, au fur et à mesure, ASML améliore les autres paramètres. A ce titre, l’EUV est aussi par là. Par sa complexité, elle est capable de traiter moins de wafer par heure que les meilleures machines DUV.

Lors du dernier call, le nouveau PDG, Christophe Fouquet a indiqué que les clients sont passent aux dernières versions des machines EUV Low-NA car ils arrivent à augmenter le débit d’exposition.

En termes de livraison, les machines DUV restent les principaux systèmes expédiés aux clients en termes de volume.

Bien sûr, les prix ne sont pas les mêmes. Voici les estimations que j’ai trouvées :

• Machine ArFi : Entre 50 et 80 millions € par machine

• EUV Low-NA : Entre 120 et 200 millions € par machine

• EUV High-NA : Entre 350 et 400 millions € par machine

Evidemment, pour justifier ces prix, il faut pouvoir justifier une certaine valeur ajoutée pour les clients. Sachant qu’il y a toujours moyen d’améliorer la résolution minimale en passant par d’autres procédés que la baisse de la longueur d’ondes.

Clients

Les clients d’ASML se comptent sur les doigts de 2 mains.

En effet, fabriquer des semi-conducteurs demande un niveau important d’intensité capitalistique : il faut compter autour de 20 milliards $ pour les usines les plus avancées.

Voici les principaux clients d’ASML et leur part dans les ventes d’ASML sur les 12 derniers mois 👇️