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            一家“磨玻璃的”,為何如此任性?

            來源:中國電子報

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            所屬頻道:新聞中心

            關鍵詞:光學元件


              近期,ASML在季度電話會議上表示,2022年,ASML預計能夠生產和交付EUV光刻機55臺,DUV光刻機240臺,而來自客戶訂購的DUV訂單已經積壓了500多臺,ASML預計今年能夠供應訂單的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,最關鍵的零部件正是有著“光刻機之眼”之稱的光學鏡頭,其主要生產商是德國蔡司。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域絕對王者ASML的命脈?


              把小塊玻璃“磨”成光學鏡頭


              作為擁有175年歷史的光學器材制造商,蔡司研究光刻鏡頭已經長達50年之久,其光學技術直接推動了半導體制程的發展,如今全球80%的芯片使用蔡司的光學元件制造。


              光學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鏡頭卻可謂是“難于上青天”。


              事實上,光刻機光學鏡頭的制造原理并不復雜,但要做出超高精密度的光刻鏡頭,在技術和工藝兩方面均有非常大的難度。在技術方面,大數值孔徑(NA)的技術難度非常高,需要基于雙高斯結構設計組合出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控光學表面成形技術(CCOS)相關的技術工人。在光學鏡頭的生產工序中,僅CCOS的拋光一項,就有小磨頭拋光、應力盤拋光、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雜的系統工程,涵蓋了光學、機械、材料、測控、熱仿真等多個學科,精密加工技術是最主要的卡點,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標準的技師也僅有20人。


              光刻鏡頭領域絕對霸主


              曾經,在光學鏡頭領域,并非蔡司一家獨大,在100多年間,蔡司也是經歷了各種“血雨腥風”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鏡頭發家,而是專注于做攝影攝像鏡頭。從20世紀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,在蔡司的產品規劃里,半導體光學元件依然是邊緣業務,攝影業務仍是主流。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域失去了優勢。


              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,蔡司在光學鏡頭領域最大的兩個競爭對手尼康和佳能,在光刻機鏡頭領域風生水起。


              佳能在1994 年發布了第一款 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年代后期至本世紀初,在光刻機市場的占有率超50%,搭載尼康光學鏡頭的光刻機幾乎代表著當時光刻機的最高水平。而彼時的蔡司依舊在攝影業務中掙扎。


              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域的絕對霸主。


              蔡司的蛻變,不得不提到其所在地——德國。據了解,德國擁有全歐洲最大的光子學產業,曾占歐洲大陸產值的41%以上。在許多光子學應用領域中,德國是公認的全球第一。德國光子學已經發展成為德國最重要的未來產業之一,并成為創新和增長的發動機。自2005年以來,德國光電子產業的增長速度是其國內和全球GDP的兩倍(每年6%到7%)。


              擁有如此強大的“靠山”,蔡司在光學鏡頭領域的發展也就更加自如。外加蔡司本身專注于光學鏡頭生產已有將近兩百年的歷史,其在光學設計、加工和檢測技術上都有豐厚的技術積累。蔡司在短時間內成為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。上海市多媒體行業協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絲那樣的凸起?!睂Υ?,甚至有業內專家將其視為“宇宙中最光滑的人造物體”。


              正是這一番技能,使當初的“毛頭小子”蔡司成為如今光刻鏡頭領域的絕對霸主,占據了全球80%的光刻機鏡頭營收份額,而曾經的佳能、尼康等巨頭企業,在光刻鏡頭領域早已無法跟蔡司相媲美。

              數據來源:蔡司年度財務數據


              ASML蔡司珠聯璧合


              蔡司在光刻鏡頭領域脫穎而出之時,也遇到了最重要的盟軍——ASML。二者珠聯璧合,將EUV極紫外光刻機技術牢牢掌握在手中,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。

              蔡司和ASML的緣分從何而起?據了解,ASML在選擇與蔡司緊密合作之時,正是其發展的關鍵節點——從飛利浦剝離“單飛”之際。與ASML的結合,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”的關鍵。


              在線寬進入7nm時代以后,蔡司成為了當代尖端微影制程唯一的光學鏡組供應商,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“系統集成商”,85%以上的光刻機零部件需要其他公司制造研發,而ASML則在最后負責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。四川大學電子信息學院教授張蓉竹向《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,需要將多達數十個光學鏡面按照設計要求嚴格排列。每一個透鏡的位置、姿態、間距都有嚴格的要求。此外,光刻機對成像的質量要求極高,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,哪怕某家企業擁有了蔡司的光學鏡頭,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”的關系。

              數據來源:前瞻產業研究院


              打破壟斷有戲嗎?


              ASML、蔡司二者的結合,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和議價權。眾所周知,壟斷意味著市場或將變成“一潭死水”,也意味著將繼續助長蔡司“不緊不慢磨玻璃”的任性之風。那么對于其他企業而言,有可能打破蔡司在光刻鏡頭領域的壟斷嗎?


              張蓉竹表示,若能有企業打破蔡司的壟斷,對于產業生態與技術而言都有好處。在產業生態方面,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。在技術方面,打破壟斷也有利于相關領域的技術發展,不同的公司在設備性能提升上會采用不同的思路,從不同維度去推動光學制造前沿技術的革新。


              然而,對于其他企業而言,貿然躋身光學鏡頭領域,對于企業本身的發展而言并非易事,也不一定是好事。


              據了解,目前商用光刻機主要采用的是基于傳統譜學制成的光學鏡頭,而世界前幾大光刻機鏡頭的生產廠商無一不是積累百年以上的企業。要想在傳統譜學方面超過他們百年以上的積累,短期內難以實現。


              “其他企業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生產中。由于該領域研發周期長,資金占用量大,企業在入局該領域之前,需要綜合評價相關技術發展的空間,產品的發展潛力及實際需求量,才能夠協調整個產業的健康發展?!?張蓉竹向《中國電子報》記者說。


              但這也并不意味著其他企業沒有機會打破壟斷。雖然基于傳統譜學的光學鏡頭很難滿足硅基半導體未來發展的需求,相比光學鏡頭,電子鏡頭具備更高的準確性和靈活性。光學鏡頭做不到的地方,往往電子鏡頭能做到。而光學鏡頭能做到的,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,蔡司將繼續一貫“任性”的作風,繼續“不緊不慢地磨玻璃”。然而,在電子鏡頭領域中,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。


              (審核編輯: 智匯聞)

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