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，而客户DUV的订单已经积压了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？为什么能轻易握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。此外，还需要顶级的与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高难度工序，若想实现实属不易。

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。

蔡司占据光刻镜头80%市场份额

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”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。而尼康从上世纪80年代后期至本世纪初，在光刻机市场的占有率超过50%，搭载尼康光学镜头的光刻机几乎代表着当时的最高水平。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可谓“前无古人”，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学产业，曾占欧洲大陆产值的41%以上。在许多光学应用领域，德国是公认的全球第一。德国的光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。再加上蔡司本身专注于光学镜头生产已有将近两百年的历史，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”。

正是这些技术，使蔡司占据了全球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。

ASML与蔡司珠联璧合

蔡司在光刻镜头领域脱颖而出之时，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。某种程度上，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负责将这些零件组装在一起。

但是，若想集成一台光刻机，不是随便一个厂商都能做到的。

据了解，一台光刻机至少含有8万多个零件，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，为了达到分辨率的要求，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。

打破垄断是否还有机会？

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，其他企业，贸然跻身光学镜头领域，对于企业本身的发展而言不一定是好事。

据了解，目前商用光刻机主要采用的是基于传统光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经验的企业。要想在传统光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。虽然基于传统光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，蔡司仍将保持其一贯“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。

（来源：中国电子报）