光學(xué)制造的王者——蔡司鏡片

竹筠俠

中國(guó)芯片保衛(wèi)戰(zhàn)，讓荷蘭光刻機(jī)ASML成為最耀眼的半導(dǎo)體設(shè)備明星。一臺(tái)10億多元的設(shè)備，想不賣(mài)就不賣(mài)，想何時(shí)交貨就何時(shí)交貨，沒(méi)人比它更牛、更拽了。然而，ASML也有它的軟肋。它完全離不開(kāi)一家公司的光學(xué)系統(tǒng)——那就是德國(guó)蔡司光學(xué)公司。目前，ASML正在跟蔡司緊密合作，研發(fā)3nm光刻機(jī)。

但蔡司最初是做顯微鏡的，甚至連顯微鏡的發(fā)明者也不是蔡司公司人員，而是一百多年前的列文虎克。蔡司對(duì)顯微鏡生產(chǎn)的貢獻(xiàn)在于：它首次將公式計(jì)算導(dǎo)入顯微鏡生產(chǎn)，從而大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的效率。在此之前，顯微鏡生產(chǎn)全靠試錯(cuò)，那個(gè)時(shí)候成品率很低。而蔡司的公式計(jì)算則帶來(lái)了生產(chǎn)效率的大幅提高。

繼續(xù)沿著公式研究往前走，蔡司的工程師提出了正弦成像理論，并計(jì)算出顯微鏡的理論分辨率。但當(dāng)時(shí)的玻璃質(zhì)量太差，無(wú)法滿足理論條件，高品質(zhì)顯微鏡可以通過(guò)理論計(jì)算出來(lái)，卻無(wú)法投入生產(chǎn)。于是他們找到了玻璃化學(xué)家——肖特。經(jīng)過(guò)幾年的研發(fā)，玻璃品質(zhì)得到極大提升，蔡司用自研的玻璃證明了自己發(fā)現(xiàn)的理論，而經(jīng)過(guò)工程與科學(xué)的雙突破，蔡司公司的新型玻璃為鏡頭開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條新路。它后來(lái)相繼開(kāi)發(fā)出普蘭納、天塞等典型鏡頭，至今仍是相機(jī)鏡頭的基本結(jié)構(gòu)。正弦成像理論是高品質(zhì)鏡頭設(shè)計(jì)的基本條件，是普蘭納鏡頭和天塞鏡頭的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。這種正弦成像理論的支點(diǎn)技術(shù)突破，使得蔡司具有強(qiáng)大的同性技術(shù)：高品質(zhì)的玻璃生產(chǎn)，從而可以為無(wú)論是顯微鏡還是照相機(jī)的應(yīng)用技術(shù)，都能提供源源不斷的火力支援。

1968年，蔡司首次為德國(guó)一家半導(dǎo)體商提供電路板印刷機(jī)鏡頭，這一年份距離第一臺(tái)光刻機(jī)的誕生已過(guò)將近十年。在贏者通吃、快速迭代的芯片制造領(lǐng)域，蔡司起步就比對(duì)手遲了十年。蔡司真的來(lái)晚了么？沒(méi)有，后進(jìn)的蔡司依靠自己的技術(shù)積累實(shí)現(xiàn)了彎道超車。在1977年，蔡司推出S-Planar（普蘭納）鏡頭，這是第一款能夠?qū)崿F(xiàn)1微米的光刻技術(shù)的鏡頭，協(xié)助GCA光刻機(jī)成功取得當(dāng)年光刻機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。2012年，蔡司的光學(xué)系統(tǒng)成為世界上第一個(gè)批量生產(chǎn)的采用EUV的光刻光學(xué)系統(tǒng)。而現(xiàn)在，它在第五代EUV光刻機(jī)中的相關(guān)專利數(shù)目，位列全球第一，甚至超過(guò)了ASML。它已經(jīng)確定了自己在第五代光刻機(jī)光刻系統(tǒng)中的霸主地位。而從光刻機(jī)生態(tài)鏈底部，攀登到塔尖的一家獨(dú)大，蔡司用了44年。下一代EUV光刻系統(tǒng)能進(jìn)一步縮小光刻制程，是最前沿的技術(shù)，只給ASML公司的光刻機(jī)供貨（當(dāng)然，恐怕也只有ASML對(duì)此有需求）。

從觀察微生物的顯微鏡，到照相機(jī)鏡頭，再到改變光路的光刻系統(tǒng)。蔡司光學(xué)事業(yè)部，靠著支點(diǎn)技術(shù)和同性技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)的拓展。如果再往上，看看這家年收入64億歐元的四大事業(yè)部，分別是工業(yè)測(cè)量、醫(yī)學(xué)、消費(fèi)光學(xué)和半導(dǎo)體制造，就會(huì)很容易找到它內(nèi)在的技術(shù)向心力邏輯。

圖6 蔡司的四大事業(yè)部