百年王者蔡司,为何不做光刻机?

【编者按】对于现在的芯片生产制造来说,光刻机是其中非常重要的一环。可以说,如果没有了光刻机,芯片生产制造产业链也就断了。那么,百年企业蔡司,为何不做光刻机呢?

本文转自微信公众号金捷幡,作者为金捷幡,经亿欧编辑,仅供业内人士参考。

有位读者给《光刻机之战》留言,说德国蔡司才是真正的王者,怎么自己不做光刻机呢。

这还真不是个蠢问题,尼康和佳能都做蔡司为什么不能做呢?其实蔡司还真做过光刻机。

在我翻译的《ASML's Architects》(暂定名:阿斯麦传奇)一书里,有详细地讲到蔡司的故事。中间很多不为人知的往事,让我今天决定抽取一点细节发散聊一下。

一、二战起蔡司历史

蔡司公司迄今已经超过170年历史,中间的风风雨雨不敢多讲,我们从二战开始说。

二战期间,蔡司是德军望远镜、测距仪和各种火炮战机瞄准镜的主要供应商。其著名的T镀膜使得狙击手的望远镜不会因阳光反射暴露位置,极大提高了战斗力。

因为当时的德国光学技术领先于美国,所以在1945年4月巴顿将军率领第三集团军不顾破坏雅尔塔协定的风险,闯入划给苏联的东德区域,占领了蔡司所在的耶拿和德累斯顿。

美国人准备用600辆卡车把蔡司整个搬到西德去,但是苏军在德国的迅速推进使美国的计划泡汤了。美国最后只带走了蔡司的84个和肖特的41个核心技术和管理人员,在西德奥柏科亨新建了一个蔡司,这就是今天蔡司的总部。

苏联则大量掳走了剩下的专家和蔡司工厂的设备。神奇的是,在耶拿祖祖辈辈磨玻璃的工匠们自己重新再来,迅速重建了东德的耶拿蔡司。

在1990年两德合并时,西德蔡司有15000员工,而东德蔡司有50000员工。

由于政客的撮合,西德蔡司不情愿地合并了亏损中的老国企东德蔡司。当时西德蔡司已经被日本打得节节败退自顾不暇,自己旗下的Contax(康泰时)和Pentax(宾得)相机早都被迫卖给日本人。蔡司引以为豪的机械快门在日本人电子测光电子快门等各种电子技术打击下毫无还手之力。

曾和蔡司配合登月的瑞典哈苏,也开始转向日本技术,这在当时是一个沉重的心理打击。

二、ASML准备起飞

而在这时,正好是亏损了5年的ASML准备起飞的时候。同样缺钱正在裁员的蔡司成了个“绊脚石”。一年几十套光刻机镜头的生意对蔡司来讲确实是不大的生意,但对ASML来讲却是生命线。1990年的时候,蔡司6名顶级技工一年只能磨出10套i线光刻镜头。

机器粗磨后,激光测画出镜头表面的起伏图。然后这些在蔡司被称为“金手指”的工匠完全靠手感,一边看着图一边精细地打磨掉高差几十纳米的部分,以达到对称的感觉。

因为缺人,蔡司跑遍全球去找这样的工匠,但是仍远远找不到所需的四十个人。

更糟糕的是,即使是出品的镜头,也是问题不断。

三、蔡司光刻机遭遇“滑铁卢”

工匠们打磨到完美的镜头,在IBM光刻试验时仍发现投影图案的扭曲。经过长达数月的精密测量,仍不能找到镜头本身曲面和设计存在的问题。

最后,结论是镜头玻璃里存在的微小应力可能是图像失真的根本原因。然而,蔡司旗下另一家百年玻璃专家肖特(Schott)表示很难把应力降到光刻机需要的这种细微程度。

更多的问题在芯片工厂出现了。美光公司(Micron)发现蔡司镜头用一段时间后透光率会显著下降,经过仔细分析发现是极其细微的碳沉积在镜头表面。

这个诡异的问题更是没人可以预料到的。

蔡司的镜头组是用低压氦气密封的,因为这种惰性气体的折射率比空气低六倍。结果最终发现镜头粘接用的胶水里面是含碳的,它在光刻机的高能紫外线催化作用下起了反应。

四、ASML成立后经历九死一生

具体这些问题最终如何解决,并不是本文想探讨的。

ASML成立后经历了九死一生,各种问题不断,它几乎10年没赚到钱。特别是具有远见卓识的ASM老板Del Prado,他亲自促成了公司的创建;但他在基本没有犯错误的情况下,仍亏损3500万美元黯然出局。

这只是大时代的洪流,大型研发项目由单一个人或公司承担越来越难。

今天,7nm的单款芯片研发投入高达3亿美元。即使像华为这样不差钱的公司,依然需要依赖ARM、台积电和Cadence等公司的支持。而年投资超过100亿美元的台积电,也依赖于各种半导体设备和原材料厂商。

那么,面对我国目前的情况,我想把话题再扯远一点,看看美国是怎么崛起的。

五、美国工业飞速发展

从1860年代美国南北战争到了1900年的40年,是美国大学扩招的40年。总的大学数量从600所到6000所翻了10倍,工程师红利也使得美国工业飞速发展。

现在Top 10里面的几大理工强校(斯坦福、麻省理工、加州理工、伯克利和芝大)都诞生在这个时期。要知道此时美国已建国百年,这些都算新学校。老牌名校哈佛、耶鲁、普林斯顿比建国还早。

后来好多的百年巨头,比如通用电气、可口可乐、美国运通等也都创立在那个时期。

1900年前后动工的芝加哥、波士顿和纽约地铁,也是像今天高铁一样彰显制造业龙头的标志。

美国GDP大约在1900年前后追上日不落帝国成为世界第一。

有没有觉得很眼熟,我们改革开放也40年了,工程师红利也吃了很多年。

六、美国真正实力如何?

GDP总量虽然超过大英帝国,但是美国当时的真正实力又如何呢?为什么他们又花了足足三、四十年时间,才真正确立了霸主地位?抛开其它因素,我们只从科技角度看一下。

把科技量化比较困难,所以我们用基础科学来代替。正好从1901年开始有了诺贝尔奖,这个奖的权威性毋庸置疑。

我们来看看,美国在经济总量第一以后在30年的时间内科学水准如何:

这张图排除了文学和和平两项奖。我们可以看出,美国在二十世纪初的科研水平远远落后于欧洲,甚至单比德英法任何一个都比不过。我特地查了一下,美国这6个获奖者当中,其实有3个人还是出生欧洲的移民。

那时德国科学技术的强大,也可以解释他们为什么有底气发动两次世界大战。德国的俾斯麦号战列舰、V2飞弹、夜间战斗机、虎式坦克等都出类拔萃。但只有七千万的人口规模,又缺乏石油,使得德国显然无法同时和英美苏进行军事对抗。

当然,诺贝尔奖的颁发有一定的滞后。不过那个年代滞后远不像今天这么多,因此还是足够说明问题的。

那时候的科学中心是慕尼黑、哥廷根、哥本哈根或者剑桥,反正不是哈佛斯坦福。

1930年代起,以纳粹德国为首的欧洲排犹浪潮愈演愈烈。大批犹太科学家移民到美国,也有很多其他种族的科学家为了躲避战乱来到美国。

爱因斯坦、弗朗克和费米等众多欧洲诺贝尔奖得主移居美国,更可看作世界科学中心从欧洲搬到美国的标志。1945年德国投降后,美国立即派出3000名科学家穿着军装到德国搜罗科技资料和带走科学家,上面提到的蔡司只是其中之一。

我们再来看一下20世纪后段的诺贝尔奖分布,以得奖者工作所在地来区分:

从上图可以看出,美国的基础科研已经占据碾压式的优势。这使得美国在电子、材料、生物等高科技基础研究一马当先,在航天航空、医药、化工以及半导体等具体应用领域占有极大优势。

七、东德蔡司确实做过光刻机

日本、韩国和欧洲则在深入挖掘制造业方面,找到了自己的定位。挑战美国的霸主地位,并不是他们要做的事情。

信息时代最大的好处就是世界变平了。今天的开源潮流和各种IP授权使得我国在IT领域弯道超车成为可能。世界上各种顶尖基础科研成果也可以点点鼠标就下载到。

人才是唯一要解决的问题,美国人当初那种排犹的机会似乎今天又有了一点点可能。我国更加积极的移民政策绝对是利大于弊的。

不好意思,今天扯得太远有点收不回来了。

东德蔡司确实做过光刻机,给当时的华约阵营使用,但数量不多。ASML曾派三个人去考察,结果发现在耶拿居然只有一间二十个房间的酒店,而整个山谷被烧煤带来的烟雾所笼罩。

各种落后使得蔡司的光刻机并没有竞争力,但它的光学底蕴则是不容置疑的。通过深入挖掘其工程师在高科技领域的潜力,蔡司重新确立了其在工业和医疗光学领域的领先地位。

今天在蔡司四大事业群中,半导体制造技术事业群(SMT)已经被公司排到第一位,贡献了公司四分之一的营收。ASML则入股了SMT四分之一的股份。

蔡司在超净室装配ASML EUV的光学模块 (Photo: ZEISS)

ASML和蔡司有截然不同公司文化:ASML是积极进取,而蔡司是保守宽容。《ASML's Architects》作者Rene说,两家公司的差异就像两公司的首字母A到Z那么远,其间的各种矛盾数也数不清。

但那些顶级工程师们在一起激情燃烧的岁月,还是让人羡慕不已。

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