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    • 把小塊玻璃“磨”成光學(xué)鏡頭
    • 光刻鏡頭領(lǐng)域絕對(duì)霸主
    • ASML蔡司珠聯(lián)璧合
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一家“磨玻璃的”,為何如此任性,可以輕易扼住ASML的命脈?

2022/06/26
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近期,ASML在季度電話會(huì)議上表示,2022年,ASML預(yù)計(jì)能夠生產(chǎn)和交付EUV光刻機(jī)55臺(tái),DUV光刻機(jī)240臺(tái),而來(lái)自客戶訂購(gòu)的DUV訂單已經(jīng)積壓了500多臺(tái),ASML預(yù)計(jì)今年能夠供應(yīng)訂單的60%。這意味著,如今訂購(gòu)一臺(tái)新型DUV光刻機(jī)(同時(shí)可用于成熟和先進(jìn)制程),交付時(shí)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(jī)之眼”之稱的光學(xué)鏡頭,其主要生產(chǎn)商是德國(guó)蔡司。然而,5月6日,有消息稱德國(guó)工會(huì)與蔡司集團(tuán)達(dá)成一致,蔡司的2400多名員工每周工作時(shí)間將從目前的38小時(shí)逐漸減少到35小時(shí)。光刻機(jī)市場(chǎng)“一機(jī)難求”,德國(guó)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(jī)領(lǐng)域絕對(duì)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(zhǎng)達(dá)50年之久,其光學(xué)技術(shù)直接推動(dòng)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(shí)際上就是一塊小小的玻璃,但若想把這塊玻璃做成先進(jìn)的光刻機(jī)光學(xué)鏡頭卻可謂是“難于上青天”。

事實(shí)上,光刻機(jī)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(jì)組合出20枚左右的鏡片,還要做到分?jǐn)偳虿?、平衡?chǎng)曲、抵消畸變。此外,為保障晶圓圖案的質(zhì)量,光刻機(jī)中每一塊透鏡的位置誤差都必須小于1nm,同時(shí)還要能盡量消除光損失產(chǎn)生的熱量。

在工藝方面,光刻機(jī)所要求的鏡面光潔度非常高,需要采用精度最高的打磨機(jī)和最細(xì)的鏡頭磨料,還需要頂級(jí)的計(jì)算機(jī)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(xiàng),就有小磨頭拋光、應(yīng)力盤(pán)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(dá)成實(shí)屬不易。 

可見(jiàn),光刻機(jī)鏡頭制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涵蓋了光學(xué)、機(jī)械、材料、測(cè)控、熱仿真等多個(gè)學(xué)科,精密加工技術(shù)是最主要的卡點(diǎn),能達(dá)到要求的技師少之又少,連擁有175年歷史的蔡司,達(dá)到光刻機(jī)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(duì)霸主

曾經(jīng),在光學(xué)鏡頭領(lǐng)域,并非蔡司一家獨(dú)大,在100多年間,蔡司也是經(jīng)歷了各種“血雨腥風(fēng)”般的競(jìng)爭(zhēng),最終脫穎而出,成為了難以替代的“王者”。

蔡司并非靠光刻機(jī)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(chǎng)不斷擴(kuò)大,市場(chǎng)對(duì)于光刻機(jī)鏡頭的需求猛增。而彼時(shí),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(dòng)對(duì)焦鏡頭,這意味著僅通過(guò)堆料和砸錢(qián)的方式,都可以將其做好。隨著競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的不斷增多并且變得不斷強(qiáng)大,蔡司很快在攝影鏡頭領(lǐng)域失去了優(yōu)勢(shì)。

由于沒(méi)有跟上市場(chǎng)潮流和趨勢(shì)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(shí),蔡司在光學(xué)鏡頭領(lǐng)域最大的兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手尼康和佳能,在光刻機(jī)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(jī),配備了分辨率為0.35μm的i-line鏡頭,是當(dāng)時(shí)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(jī)市場(chǎng)的占有率超50%,搭載尼康光學(xué)鏡頭的光刻機(jī)幾乎代表著當(dāng)時(shí)光刻機(jī)的最高水平。而彼時(shí)的蔡司依舊在攝影業(yè)務(wù)中掙扎。

然而,蔡司并沒(méi)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(wú)古人后無(wú)來(lái)者”,不到十年就成為了光刻鏡頭領(lǐng)域的絕對(duì)霸主。

蔡司的蛻變,不得不提到其所在地——德國(guó)。據(jù)了解,德國(guó)擁有全歐洲最大的光子學(xué)產(chǎn)業(yè),曾占?xì)W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(guó)是公認(rèn)的全球第一。德國(guó)光子學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為德國(guó)最重要的未來(lái)產(chǎn)業(yè)之一,并成為創(chuàng)新和增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。自2005年以來(lái),德國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)速度是其國(guó)內(nèi)和全球GDP的兩倍(每年6%到7%)。

擁有如此強(qiáng)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(jì)、加工和檢測(cè)技術(shù)上都有豐厚的技術(shù)積累。蔡司在短時(shí)間內(nèi)成為EUV極紫外光刻機(jī)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(jī)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(shuō)達(dá)到了原子級(jí)別的平坦。上海市多媒體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)端木海嬰向《中國(guó)電子報(bào)》記者解釋這一平坦度:“如果把鏡頭放大到一個(gè)地球那么大,它上面只允許有一根頭發(fā)絲那樣的凸起。”對(duì)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(duì)霸主,占據(jù)了全球80%的光刻機(jī)鏡頭營(yíng)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(wú)法跟蔡司相媲美。

數(shù)據(jù)來(lái)源:蔡司年度財(cái)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(shí),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(jī)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(jìn)EUV極紫外光刻機(jī)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(shí),正是其發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——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(jī),在DUV(深紫外線)光刻時(shí)代成功“翻身”的關(guān)鍵。

在線寬進(jìn)入7nm時(shí)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(gè)部分全部依賴蔡司,別無(wú)二選。某種程度來(lái)說(shuō),ASML更像是一家“系統(tǒng)集成商”,85%以上的光刻機(jī)零部件需要其他公司制造研發(fā),而ASML則在最后負(fù)責(zé)將這些零件組裝在一起。

但是,若想集成一臺(tái)光刻機(jī),也不是隨便一個(gè)廠商能夠做到的。

據(jù)了解,一臺(tái)光刻機(jī)至少含有80000多個(gè)零件,其中最先進(jìn)的極紫外光EUV光刻機(jī)所需的零件更是超過(guò)10萬(wàn)個(gè)。光刻機(jī)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(guó)電子報(bào)》記者介紹,在鏡頭組裝的過(guò)程中,為了達(dá)到分辨力的要求,需要將多達(dá)數(shù)十個(gè)光學(xué)鏡面按照設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格排列。每一個(gè)透鏡的位置、姿態(tài)、間距都有嚴(yán)格的要求。此外,光刻機(jī)對(duì)成像的質(zhì)量要求極高,幾乎沒(méi)有給裝配過(guò)程留有公差,因此整個(gè)鏡頭的機(jī)械組裝過(guò)程難度極大。

通俗地說(shuō),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(jī)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(lái)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(jìn)光刻鏡頭的市場(chǎng),并擁有了絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)和議價(jià)權(quán)。眾所周知,壟斷意味著市場(chǎng)或?qū)⒆兂?ldquo;一潭死水”,也意味著將繼續(xù)助長(zhǎng)蔡司“不緊不慢磨玻璃”的任性之風(fēng)。那么對(duì)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(duì)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(duì)于用戶而言,意味著能有更多選擇的余地,且成本也不會(huì)有很大的提升,這是由于光刻機(jī)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(jī)鏡頭,其價(jià)格空間也不會(huì)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(huì)采用不同的思路,從不同維度去推動(dòng)光學(xué)制造前沿技術(shù)的革新。

然而,對(duì)于其他企業(yè)而言,貿(mào)然躋身光學(xué)鏡頭領(lǐng)域,對(duì)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(jī)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(jī)鏡頭的生產(chǎn)廠商無(wú)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(guò)他們百年以上的積累,短期內(nèi)難以實(shí)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(jī)鏡頭的研發(fā)生產(chǎn)中。由于該領(lǐng)域研發(fā)周期長(zhǎng),資金占用量大,企業(yè)在入局該領(lǐng)域之前,需要綜合評(píng)價(jià)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的空間,產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿皩?shí)際需求量,才能夠協(xié)調(diào)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。” 張蓉竹向《中國(guó)電子報(bào)》記者說(shuō)。

但這也并不意味著其他企業(yè)沒(méi)有機(jī)會(huì)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(lái)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(duì)于其他企業(yè)而言,這不失為一條突破之路。

或許,在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)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(lái)或許能再次“殺”出一個(gè)“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

蔡司

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蔡司是全球范圍內(nèi)先鋒的光學(xué)與光電行業(yè)科技集團(tuán)。蔡司集團(tuán)專注于開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售測(cè)量技術(shù)、顯微鏡、醫(yī)療技術(shù)、眼鏡片、攝影和電影鏡頭、雙筒望遠(yuǎn)鏡和半導(dǎo)體制造設(shè)備等。

蔡司是全球范圍內(nèi)先鋒的光學(xué)與光電行業(yè)科技集團(tuán)。蔡司集團(tuán)專注于開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售測(cè)量技術(shù)、顯微鏡、醫(yī)療技術(shù)、眼鏡片、攝影和電影鏡頭、雙筒望遠(yuǎn)鏡和半導(dǎo)體制造設(shè)備等。收起

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