一家“磨玻璃的”，为何如此任性？

发布于：2022/6/24 9:17:51 | 10631 次阅读

[转载]原文链接：http://www.cena.com.cn/semimake/20220623/116655.html

近期，ASML在季度电话会议上表示，2022年，ASML预计能够生产和交付EUV光刻机55台，DUV光刻机240台，而来自客户订购的DUV订单已经积压了500多台，ASML预计今年能够供应订单的60%。这意味着，如今订购一台新型DUV光刻机（同时可用于成熟和先进制程），交付时间至少需要等待两年以上。
在这其中，最关键的零部件正是有着“光刻机之眼”之称的光学镜头，其主要生产商是德国蔡司。然而，5月6日，有消息称德国工会与蔡司集团达成一致，蔡司的2400多名员工每周工作时间将从目前的38小时逐渐减少到35小时。光刻机市场“一机难求”，德国蔡司的工人们却依然不紧不慢地磨着玻璃。
作为一家“玻璃制造厂”，蔡司为什么能如此任性？为什么能轻易扼住光刻机领域绝对王者ASML的命脉？
把小块玻璃“磨”成光学镜头
作为拥有175年历史的光学器材制造商，蔡司研究光刻镜头已经长达50年之久，其光学技术直接推动了半导体制程的发展，如今全球80%的芯片使用蔡司的光学元件制造。
光学镜头实际上就是一块小小的玻璃，但若想把这块玻璃做成先进的光刻机光学镜头却可谓是“难于上青天”。
事实上，光刻机光学镜头的制造原理并不复杂，但要做出超高精密度的光刻镜头，在技术和工艺两方面均有非常大的难度。在技术方面，大数值孔径（NA）的技术难度非常高，需要基于双高斯结构设计组合出20枚左右的镜片，还要做到分摊球差、平衡场曲、抵消畸变。此外，为保障晶圆图案的质量，光刻机中每一块透镜的位置误差都必须小于1nm，同时还要能尽量消除光损失产生的热量。
在工艺方面，光刻机所要求的镜面光洁度非常高，需要采用精度最高的打磨机和最细的镜头磨料，还需要顶级的计算机数控光学表面成形技术（CCOS）相关的技术工人。在光学镜头的生产工序中，仅CCOS的抛光一项，就有小磨头抛光、应力盘抛光、磁流变抛光、离子束抛光等超精密抛光等高难度工序，若想达成实属不易。
可见，光刻机镜头制造是一个复杂的系统工程，涵盖了光学、机械、材料、测控、热仿真等多个学科，精密加工技术是最主要的卡点，能达到要求的技师少之又少，连拥有175年历史的蔡司，达到光刻机镜头生产标准的技师也仅有20人。
光刻镜头领域绝对霸主
曾经，在光学镜头领域，并非蔡司一家独大，在100多年间，蔡司也是经历了各种“血雨腥风”般的竞争，最终脱颖而出，成为了难以替代的“王者”。
蔡司并非靠光刻机光学镜头发家，而是专注于做摄影摄像镜头。从20世纪90年代起，芯片市场不断扩大，市场对于光刻机镜头的需求猛增。而彼时，在蔡司的产品规划里，半导体光学元件依然是边缘业务，摄影业务仍是主流。然而，摄影镜头多为小众的手动对焦镜头，这意味着仅通过堆料和砸钱的方式，都可以将其做好。随着竞争对手的不断增多并且变得不断强大，蔡司很快在摄影镜头领域失去了优势。
由于没有跟上市场潮流和趋势的变化，蔡司输在了光刻镜头的起跑线上，这直接造成了蔡司一度生存困难。与此同时，蔡司在光学镜头领域最大的两个竞争对手尼康和佳能，在光刻机镜头领域风生水起。
佳能在1994 年发布了第一款 FPA-3000 系列光刻机，配备了分辨率为0.35μm的i-line镜头，是当时世界上分辨率最高的镜头之一。而尼康从80年代后期至本世纪初，在光刻机市场的占有率超50%，搭载尼康光学镜头的光刻机几乎代表着当时光刻机的最高水平。而彼时的蔡司依旧在摄影业务中挣扎。
然而，蔡司并没有坐以待毙。尽管起步较慢，蔡司此后的发展速度却可谓“前无古人后无来者”，不到十年就成为了光刻镜头领域的绝对霸主。
蔡司的蜕变，不得不提到其所在地——德国。据了解，德国拥有全欧洲最大的光子学产业，曾占欧洲大陆产值的41%以上。在许多光子学应用领域中，德国是公认的全球第一。德国光子学已经发展成为德国最重要的未来产业之一，并成为创新和增长的发动机。自2005年以来，德国光电子产业的增长速度是其国内和全球GDP的两倍(每年6%到7%)。
拥有如此强大的“靠山”，蔡司在光学镜头领域的发展也就更加自如。外加蔡司本身专注于光学镜头生产已有将近两百年的历史，其在光学设计、加工和检测技术上都有丰厚的技术积累。蔡司在短时间内成为EUV极紫外光刻机的唯一镜头搭载厂商。目前，由蔡司生产的最新一代EUV光刻机反射镜最大直径1.2米，面形精度峰谷值0.12纳米，表面粗糙度20皮米（=0.02纳米=0.2埃），比很多原子的直径都要小，也就是说达到了原子级别的平坦。上海市多媒体行业协会副秘书长端木海婴向《中国电子报》记者解释这一平坦度：“如果把镜头放大到一个地球那么大，它上面只允许有一根头发丝那样的凸起。”对此，甚至有业内专家将其视为“宇宙中最光滑的人造物体”。
正是这一番技能，使当初的“毛头小子”蔡司成为如今光刻镜头领域的绝对霸主，占据了全球80%的光刻机镜头营收份额，而曾经的佳能、尼康等巨头企业，在光刻镜头领域早已无法跟蔡司相媲美。
数据来源：蔡司年度财务数据
ASML蔡司珠联璧合
蔡司在光刻镜头领域脱颖而出之时，也遇到了最重要的盟军——ASML。二者珠联璧合，将EUV极紫外光刻机技术牢牢掌握在手中，ASML也成为世界上唯一能制造出最先进EUV极紫外光刻机的企业。
蔡司和ASML的缘分从何而起？据了解，ASML在选择与蔡司紧密合作之时，正是其发展的关键节点——从飞利浦剥离“单飞”之际。与ASML的结合，是蔡司反超日本佳能和尼康光刻机，在DUV（深紫外线）光刻时代成功“翻身”的关键。
在线宽进入7nm时代以后，蔡司成为了当代尖端微影制程唯一的光学镜组供应商，ASML在这个部分全部依赖蔡司，别无二选。某种程度来说，ASML更像是一家“系统集成商”，85%以上的光刻机零部件需要其他公司制造研发，而ASML则在最后负责将这些零件组装在一起。
但是，若想集成一台光刻机，也不是随便一个厂商能够做到的。
据了解，一台光刻机至少含有80000多个零件，其中最先进的极紫外光EUV光刻机所需的零件更是超过10万个。光刻机镜头的组装更是异常困难。四川大学电子信息学院教授张蓉竹向《中国电子报》记者介绍，在镜头组装的过程中，为了达到分辨力的要求，需要将多达数十个光学镜面按照设计要求严格排列。每一个透镜的位置、姿态、间距都有严格的要求。此外，光刻机对成像的质量要求极高，几乎没有给装配过程留有公差，因此整个镜头的机械组装过程难度极大。
通俗地说，哪怕某家企业拥有了蔡司的光学镜头，也很难将其顺利组装到光刻机中。因此，蔡司与ASML之间，形成了“你依赖我，我仰仗你”的关系。
数据来源：前瞻产业研究院
打破垄断有戏吗？
ASML、蔡司二者的结合，牢牢地锁住了先进光刻镜头的市场，并拥有了绝对的话语权和议价权。众所周知，垄断意味着市场或将变成“一潭死水”，也意味着将继续助长蔡司“不紧不慢磨玻璃”的任性之风。那么对于其他企业而言，有可能打破蔡司在光刻镜头领域的垄断吗？
张蓉竹表示，若能有企业打破蔡司的垄断，对于产业生态与技术而言都有好处。在产业生态方面，对于用户而言，意味着能有更多选择的余地，且成本也不会有很大的提升，这是由于光刻机镜头属于高端定制产品，哪怕蔡司以外的公司能够提供光刻机镜头，其价格空间也不会有太大的变化。在技术方面，打破垄断也有利于相关领域的技术发展，不同的公司在设备性能提升上会采用不同的思路，从不同维度去推动光学制造前沿技术的革新。
然而，对于其他企业而言，贸然跻身光学镜头领域，对于企业本身的发展而言并非易事，也不一定是好事。
据了解，目前商用光刻机主要采用的是基于传统谱学制成的光学镜头，而世界前几大光刻机镜头的生产厂商无一不是积累百年以上的企业。要想在传统谱学方面超过他们百年以上的积累，短期内难以实现。
“其他企业若想打破蔡司的垄断，意味着更多的资源和资金将集中在光刻机镜头的研发生产中。由于该领域研发周期长，资金占用量大，企业在入局该领域之前，需要综合评价相关技术发展的空间，产品的发展潜力及实际需求量，才能够协调整个产业的健康发展。” 张蓉竹向《中国电子报》记者说。
但这也并不意味着其他企业没有机会打破垄断。虽然基于传统谱学的光学镜头很难满足硅基半导体未来发展的需求，相比光学镜头，电子镜头具备更高的准确性和灵活性。光学镜头做不到的地方，往往电子镜头能做到。而光学镜头能做到的，电子镜头也能做到，而且精确性更高。对于其他企业而言，这不失为一条突破之路。
或许，在未来很长一段时间里，蔡司将继续一贯“任性”的作风，继续“不紧不慢地磨玻璃”。然而，在电子镜头领域中，未来或许能再次“杀”出一个“毛头小子”，让蔡司的工人们把玻璃磨得快一些。

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