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近期，ASML在季度電話會議上表示，2022年，ASML預(yù)計能夠生產(chǎn)和交付EUV光刻機55臺，DUV光刻機240臺，而來自客戶訂購的DUV訂單已經(jīng)積壓了500多臺，ASML預(yù)計今年能夠供應(yīng)訂單的60%。這意味著，如今訂購一臺新型DUV光刻機（同時可用于成熟和先進制程），交付時間至少需要等待兩年以上。
在這其中，最關(guān)鍵的零部件正是有著“光刻機之眼”之稱的光學(xué)鏡頭，其主要生產(chǎn)商是德國蔡司。然而，5月6日，有消息稱德國工會與蔡司集團達成一致，蔡司的2400多名員工每周工作時間將從目前的38小時逐漸減少到35小時。光刻機市場“一機難求”，德國蔡司的工人們卻依然不緊不慢地磨著玻璃。
作為一家“玻璃制造廠”，蔡司為什么能如此任性？為什么能輕易扼住光刻機領(lǐng)域絕對王者ASML的命脈？
把小塊玻璃“磨”成光學(xué)鏡頭
作為擁有175年歷史的光學(xué)器材制造商，蔡司研究光刻鏡頭已經(jīng)長達50年之久，其光學(xué)技術(shù)直接推動了半導(dǎo)體制程的發(fā)展，如今全球80%的芯片使用蔡司的光學(xué)元件制造。
光學(xué)鏡頭實際上就是一塊小小的玻璃，但若想把這塊玻璃做成先進的光刻機光學(xué)鏡頭卻可謂是“難于上青天”。
事實上，光刻機光學(xué)鏡頭的制造原理并不復(fù)雜，但要做出超高精密度的光刻鏡頭，在技術(shù)和工藝兩方面均有非常大的難度。在技術(shù)方面，大數(shù)值孔徑（NA）的技術(shù)難度非常高，需要基于雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計組合出20枚左右的鏡片，還要做到分攤球差、平衡場曲、抵消畸變。此外，為保障晶圓圖案的質(zhì)量，光刻機中每一塊透鏡的位置誤差都必須小于1nm，同時還要能盡量消除光損失產(chǎn)生的熱量。
在工藝方面，光刻機所要求的鏡面光潔度非常高，需要采用精度最高的打磨機和最細的鏡頭磨料，還需要頂級的計算機數(shù)控光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）相關(guān)的技術(shù)工人。在光學(xué)鏡頭的生產(chǎn)工序中，僅CCOS的拋光一項，就有小磨頭拋光、應(yīng)力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等超精密拋光等高難度工序，若想達成實屬不易。
可見，光刻機鏡頭制造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋了光學(xué)、機械、材料、測控、熱仿真等多個學(xué)科，精密加工技術(shù)是最主要的卡點，能達到要求的技師少之又少，連擁有175年歷史的蔡司，達到光刻機鏡頭生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的技師也僅有20人。
光刻鏡頭領(lǐng)域絕對霸主
曾經(jīng)，在光學(xué)鏡頭領(lǐng)域，并非蔡司一家獨大，在100多年間，蔡司也是經(jīng)歷了各種“血雨腥風(fēng)”般的競爭，最終脫穎而出，成為了難以替代的“王者”。
蔡司并非靠光刻機光學(xué)鏡頭發(fā)家，而是專注于做攝影攝像鏡頭。從20世紀(jì)90年代起，芯片市場不斷擴大，市場對于光刻機鏡頭的需求猛增。而彼時，在蔡司的產(chǎn)品規(guī)劃里，半導(dǎo)體光學(xué)元件依然是邊緣業(yè)務(wù)，攝影業(yè)務(wù)仍是主流。然而，攝影鏡頭多為小眾的手動對焦鏡頭，這意味著僅通過堆料和砸錢的方式，都可以將其做好。隨著競爭對手的不斷增多并且變得不斷強大，蔡司很快在攝影鏡頭領(lǐng)域失去了優(yōu)勢。
由于沒有跟上市場潮流和趨勢的變化，蔡司輸在了光刻鏡頭的起跑線上，這直接造成了蔡司一度生存困難。與此同時，蔡司在光學(xué)鏡頭領(lǐng)域最大的兩個競爭對手尼康和佳能，在光刻機鏡頭領(lǐng)域風(fēng)生水起。
佳能在1994 年發(fā)布了第一款 FPA-3000 系列光刻機，配備了分辨率為0.35μm的i-line鏡頭，是當(dāng)時世界上分辨率最高的鏡頭之一。而尼康從80年代后期至本世紀(jì)初，在光刻機市場的占有率超50%，搭載尼康光學(xué)鏡頭的光刻機幾乎代表著當(dāng)時光刻機的最高水平。而彼時的蔡司依舊在攝影業(yè)務(wù)中掙扎。
然而，蔡司并沒有坐以待斃。盡管起步較慢，蔡司此后的發(fā)展速度卻可謂“前無古人后無來者”，不到十年就成為了光刻鏡頭領(lǐng)域的絕對霸主。
蔡司的蛻變，不得不提到其所在地——德國。據(jù)了解，德國擁有全歐洲最大的光子學(xué)產(chǎn)業(yè)，曾占歐洲大陸產(chǎn)值的41%以上。在許多光子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中，德國是公認的全球第一。德國光子學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為德國最重要的未來產(chǎn)業(yè)之一，并成為創(chuàng)新和增長的發(fā)動機。自2005年以來，德國光電子產(chǎn)業(yè)的增長速度是其國內(nèi)和全球GDP的兩倍(每年6%到7%)。
擁有如此強大的“靠山”，蔡司在光學(xué)鏡頭領(lǐng)域的發(fā)展也就更加自如。外加蔡司本身專注于光學(xué)鏡頭生產(chǎn)已有將近兩百年的歷史，其在光學(xué)設(shè)計、加工和檢測技術(shù)上都有豐厚的技術(shù)積累。蔡司在短時間內(nèi)成為EUV極紫外光刻機的唯一鏡頭搭載廠商。目前，由蔡司生產(chǎn)的最新一代EUV光刻機反射鏡最大直徑1.2米，面形精度峰谷值0.12納米，表面粗糙度20皮米（=0.02納米=0.2埃），比很多原子的直徑都要小，也就是說達到了原子級別的平坦。上海市多媒體行業(yè)協(xié)會副秘書長端木海嬰向《中國電子報》記者解釋這一平坦度：“如果把鏡頭放大到一個地球那么大，它上面只允許有一根頭發(fā)絲那樣的凸起。”對此，甚至有業(yè)內(nèi)專家將其視為“宇宙中最光滑的人造物體”。
正是這一番技能，使當(dāng)初的“毛頭小子”蔡司成為如今光刻鏡頭領(lǐng)域的絕對霸主，占據(jù)了全球80%的光刻機鏡頭營收份額，而曾經(jīng)的佳能、尼康等巨頭企業(yè)，在光刻鏡頭領(lǐng)域早已無法跟蔡司相媲美。
數(shù)據(jù)來源：蔡司年度財務(wù)數(shù)據(jù)
ASML蔡司珠聯(lián)璧合
蔡司在光刻鏡頭領(lǐng)域脫穎而出之時，也遇到了最重要的盟軍——ASML。二者珠聯(lián)璧合，將EUV極紫外光刻機技術(shù)牢牢掌握在手中，ASML也成為世界上唯一能制造出最先進EUV極紫外光刻機的企業(yè)。
蔡司和ASML的緣分從何而起？據(jù)了解，ASML在選擇與蔡司緊密合作之時，正是其發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點——從飛利浦剝離“單飛”之際。與ASML的結(jié)合，是蔡司反超日本佳能和尼康光刻機，在DUV（深紫外線）光刻時代成功“翻身”的關(guān)鍵。
在線寬進入7nm時代以后，蔡司成為了當(dāng)代尖端微影制程唯一的光學(xué)鏡組供應(yīng)商，ASML在這個部分全部依賴蔡司，別無二選。某種程度來說，ASML更像是一家“系統(tǒng)集成商”，85%以上的光刻機零部件需要其他公司制造研發(fā)，而ASML則在最后負責(zé)將這些零件組裝在一起。
但是，若想集成一臺光刻機，也不是隨便一個廠商能夠做到的。
據(jù)了解，一臺光刻機至少含有80000多個零件，其中最先進的極紫外光EUV光刻機所需的零件更是超過10萬個。光刻機鏡頭的組裝更是異常困難。四川大學(xué)電子信息學(xué)院教授張蓉竹向《中國電子報》記者介紹，在鏡頭組裝的過程中，為了達到分辨力的要求，需要將多達數(shù)十個光學(xué)鏡面按照設(shè)計要求嚴(yán)格排列。每一個透鏡的位置、姿態(tài)、間距都有嚴(yán)格的要求。此外，光刻機對成像的質(zhì)量要求極高，幾乎沒有給裝配過程留有公差，因此整個鏡頭的機械組裝過程難度極大。
通俗地說，哪怕某家企業(yè)擁有了蔡司的光學(xué)鏡頭，也很難將其順利組裝到光刻機中。因此，蔡司與ASML之間，形成了“你依賴我，我仰仗你”的關(guān)系。
數(shù)據(jù)來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
打破壟斷有戲嗎？
ASML、蔡司二者的結(jié)合，牢牢地鎖住了先進光刻鏡頭的市場，并擁有了絕對的話語權(quán)和議價權(quán)。眾所周知，壟斷意味著市場或?qū)⒆兂?ldquo;一潭死水”，也意味著將繼續(xù)助長蔡司“不緊不慢磨玻璃”的任性之風(fēng)。那么對于其他企業(yè)而言，有可能打破蔡司在光刻鏡頭領(lǐng)域的壟斷嗎？
張蓉竹表示，若能有企業(yè)打破蔡司的壟斷，對于產(chǎn)業(yè)生態(tài)與技術(shù)而言都有好處。在產(chǎn)業(yè)生態(tài)方面，對于用戶而言，意味著能有更多選擇的余地，且成本也不會有很大的提升，這是由于光刻機鏡頭屬于高端定制產(chǎn)品，哪怕蔡司以外的公司能夠提供光刻機鏡頭，其價格空間也不會有太大的變化。在技術(shù)方面，打破壟斷也有利于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，不同的公司在設(shè)備性能提升上會采用不同的思路，從不同維度去推動光學(xué)制造前沿技術(shù)的革新。
然而，對于其他企業(yè)而言，貿(mào)然躋身光學(xué)鏡頭領(lǐng)域，對于企業(yè)本身的發(fā)展而言并非易事，也不一定是好事。
據(jù)了解，目前商用光刻機主要采用的是基于傳統(tǒng)譜學(xué)制成的光學(xué)鏡頭，而世界前幾大光刻機鏡頭的生產(chǎn)廠商無一不是積累百年以上的企業(yè)。要想在傳統(tǒng)譜學(xué)方面超過他們百年以上的積累，短期內(nèi)難以實現(xiàn)。
“其他企業(yè)若想打破蔡司的壟斷，意味著更多的資源和資金將集中在光刻機鏡頭的研發(fā)生產(chǎn)中。由于該領(lǐng)域研發(fā)周期長，資金占用量大，企業(yè)在入局該領(lǐng)域之前，需要綜合評價相關(guān)技術(shù)發(fā)展的空間，產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿皩嶋H需求量，才能夠協(xié)調(diào)整個產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。” 張蓉竹向《中國電子報》記者說。
但這也并不意味著其他企業(yè)沒有機會打破壟斷。雖然基于傳統(tǒng)譜學(xué)的光學(xué)鏡頭很難滿足硅基半導(dǎo)體未來發(fā)展的需求，相比光學(xué)鏡頭，電子鏡頭具備更高的準(zhǔn)確性和靈活性。光學(xué)鏡頭做不到的地方，往往電子鏡頭能做到。而光學(xué)鏡頭能做到的，電子鏡頭也能做到，而且精確性更高。對于其他企業(yè)而言，這不失為一條突破之路。
或許，在未來很長一段時間里，蔡司將繼續(xù)一貫“任性”的作風(fēng)，繼續(xù)“不緊不慢地磨玻璃”。然而，在電子鏡頭領(lǐng)域中，未來或許能再次“殺”出一個“毛頭小子”，讓蔡司的工人們把玻璃磨得快一些。
作者丨沈叢
編輯丨劉晶
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
