一家“磨玻璃的”,为何如此任性?

业界 作者:中国电子报 2022-06-23 21:56:38 阅读:20



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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作者丨沈丛
编辑丨刘晶
美编丨马利亚
监制丨连晓东

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