专访荷兰光刻专家Braat飞利浦与阿斯麦光存储与光刻的时代更迭

　　Joseph Braat教授，荷兰光学工程师、科学家。Joseph Braat教授以其在光学成像领域的贡献为人尊敬，每每与其交谈，都深受启发，收获良多。

　　1973年，Joseph Braat从法国高等光学研究所（Institut d’Optique Graduate School）博士毕业后，进入荷兰的飞利浦公司（Philips）开展光存储技术的研究工作，参与并推进了Philips、ASML等公司光刻技术的发展，在光路设计、早期光刻系统模块设计、衍射极限的光学成像等方面做出了突出贡献。之后Joseph Braat加入荷兰代尔夫特理工大学并在光学研究组任教。Joseph Braat教授发表了超60项美国专利及大量研究论文，其论著《成像光学》（Imaging Optics）现已成为光学领域的重要参考资料。

　　Joseph Braat教授是荷兰皇家科学与艺术学院院士，是欧洲光学学会的创始人之一，并在2004-2006年担任主席。这篇访谈中，Joseph Braat教授回顾了他所经历的光学存储与光刻的发展，这份经验对当前形势下的各方研究人员来说尤显珍贵。

　　以下内容中，“邵”代表邵屹峰博士，“Joseph”代表Joseph Braat教授。

　　邵：您与光学结缘始于您在荷兰代尔夫特理工大学攻读物理学专业，随后您在法国高等光学研究所从事关于全息技术的研究。是什么原因促使您最终选择光学作为自己职业生涯的研究方向呢？

　　Joseph：选择光学研究作为我的职业经历了两个阶段的过程，首先是我对物理的兴趣，继而对光学着迷。在我的中学时期，我的物理老师是一位从代尔夫特理工毕业的电子工程师，他非常有激情。20世纪60年代初，荷兰用新式教材取代了20世纪30年代非常老式的物理书籍。这批新式教材基本包含了当时的现代物理知识。尽管在课堂实验上个人会使用非常基础的设备，甚至部分设备还是学生制作的，依然可以演示物理的原理。逐渐地，我对物理产生了浓厚的兴趣并且决定在大学中继续学习物理。选择代尔夫特理工大学则是我哥哥的建议，他当时在那里学习化学。

　　在代尔夫特理工大学时，Abraham van Heel教授在第一年和第二年教授的两门光学课程中展示了令人惊艳的课堂实验，给我留下了深刻的印象。不幸的是，他在1966年5月因为心脏病在自家花园中平静地去世了。不久后，我加入了由他的两名助手临时领导的研究组。1967年1月，来自埃因霍温飞利浦公司的Hendrik de Lang教授接任领导了代尔夫特理工大学的光学研究组。次年，法国发生了著名的“红五月”学生抗议活动，不仅动摇了当时由年长的戴高乐所领导的政府，其抗议精神还对包括荷兰在内的诸多国家产生了影响。因为不支持学生们民主化荷兰大学导致的管理混乱，Hendrik de Lang教授于1969年9月1日离开了代尔夫特理工大学。这导致我失去了硕士论文的导师，但是我仍然幸运地在当年完成了我的研究任务。随后我获得了法国外交部奖学金，得以前往巴黎（奥塞）的高等光学研究所攻读博士学位。

　　Joseph：1970-1972年，我在巴黎高等光学研究所Serge Lowenthal教授组里研究非相干光全息技术。自1920年以来，该研究所从一个军事的应用技术实验室发展为一个更加重视基础科学的研究所。对于我这个博士新生来说，光全息技术是一个新颖而迷人的主题。我记得在巴黎学习初期，相干光学研究人员使用Joseph Goodman的《傅里叶光学导论》（1968年出版的第一版）作为主要的参考文献。与某些实验室将大量学生部署在一个大型实验装置的情况截然不同，巴黎高等光学研究所内的每一个学生都有自己负责的实验课题，他们能够在自己的暗室中使用自己的实验设备完成。得益于此，我在巴黎的博士研究很好地平衡了理论与实验。

　　1973-1974年，Joseph Goodman在高等光学研究所担任访问学者。在此期间我有幸多次与他成为室友，并见证了他第二本著作《统计光学》一书的准备过程。当我在高等光学研究所期间， Alain Aspect也在Lowenthal组研究全息光谱仪。当我后来在飞利浦公司工作时，Alain问我飞利浦的研发部是不是能够帮助制造一个足够大的偏振中性分光器（polarization-neutral beam splitter）。经过一些非凡的努力，飞利浦公司的薄膜沉积部门成功地制造了满足严苛条件的光学元件并将其与送到巴黎的高等光学研究所。这个“立方体”元件填补了光学量子纠缠实验中的一个潜在漏洞。这个实验最终帮助Alain赢得了2022年的诺贝尔物理学奖。

　　邵：在飞利浦公司工作期间，您对光学存储和光盘技术，尤其是光盘存储系统的光路设计以及光衍射理论的创新应用等方面，做出了重要贡献。相关工作还为CD、DVD、蓝光光盘等光存储介质的发明奠定了基础。在该领域的研究中，您面临了哪些挑战？

　　Joseph：光学存储的发明和发展是许多人一起努力的结果，我绝不是奠基人之一。早在1969年底该项目就已启动，而我直到三年后的1973年元旦才加入飞利浦公司。1972年12月的一个国际科技新闻发布会上，飞利浦公司就向公众展示了一个可以实时存储发布会现场实况视频的“玻璃盘”（所谓的“主盘”）。早期飞利浦光存储研究的先锋人物包括Piet Kramer(光学研究团队负责人)、 Klaas Compaan(飞利浦教育事业部)和Gijs Bouwhuis（光学研究员)。他们三人因对光存储的基础研究和推广工作于1986年共同获得了Ranz光电子奖。

　　当我加入飞利浦公司时，科学家Harold Hopkins正担任飞利浦的光学顾问，我被指定为他的联系人。Hopkins以他的部分相干成像理论而闻名，他扩展了Zernik与van Cittert在该领域的工作，也发明了许多其它重要的概念，比如光学传递函数、互相干系数、和高数值孔径成像。他还发明了变焦镜头和用于医疗诊断的光学内窥镜。但对我来说最重要的是，他还是一位出色的老师！我很幸运能够与他合作，一同研究光学设计与衍射理论。

　　我早期的关键课题是研究怎么样精准对焦与跟踪光盘上的光学信息螺旋，以及如何增加信息密度。我与Hopkins一起研究了光盘的标量读取模型。后来我扩展了这一模型以兼容编码与调制的数字信号，并用它制定CD（Compact Disc）和后续的数字光学存储标准。

　　在此期间我也担任了飞利浦研究实验室与光学供应商之间的联络桥梁。为此我编写了自己的光学设计工具，使用SVD（singular value decomposition）优化光学系统。该软件也让飞利浦可以独立完成非球面设计和光学公差分析。在20世纪80年代初期，我用自己的程序设计了光刻投影物镜，重点优化了光学系统的公差和可制造性。我必须要强调Geoff Adams开展了光学公差分析的基础工作，1988年，他在帝国理工完成了关于这一课题的博士论文。

　　当时飞利浦还在使用IBM 360/370大型计算机，只可使用打孔卡输入数据。这成为了制约计算能力的瓶颈。有一次我的40,000张打孔卡（每张重2.5克，共1000千克）不幸发生了事故。其中两箱大约5000张卡片掉在地上打乱了关键顺序。我花了整整两天的时间才将所有卡片恢复为正确的顺序。幸运的是，随着计算机水平的提升，不久之后我就可以在飞利浦的实验室使用个人终端数据输入。大约在1985年， 我终于能愉快地丢掉所有100公斤打孔卡了！

　　CD技术开始于1975年，最初是受到了视频光盘（VLP：video long play disc）的启发。VLP于1978年在美国被商业化，但是很快就失败了。只有先锋公司在该市场中幸存下来并且继续生产了激光光盘（Laser Disc），直到1994年DVD的出现才停止。1982年秋季，飞利浦与索尼几乎同时开始销售全新的CD产品（包括光盘与播放器）。索尼公司主要采取“高质量、高价格”的策略而飞利浦则试图以“低价格，高销量”的策略占领大众消费市场占有率。

　　在飞利浦的内部发起了一场口号为3个25美金的运动：产品中光学、机械、电子设备各占25美金，这项运动加速了飞利浦引进塑料光学与机械元件的步伐。同一时期，飞利浦引进了一种以玻璃半球为核心的塑料非球面透镜以降低价格。虽然该光学元件表现可靠，但是过度使用塑料机械元件导致返修率上升，反而损害了飞利浦CD播放器的声誉。几年后，飞利浦仅取得了15%的市场份额，索尼却占据了40%。幸运的是，根据专利权分配条款，飞利浦可以从每张光盘获利60%，而索尼只有40%。

　　图 Joseph Braat的发明专利“Centering Detection System for an Apparatus for Playing Optically Readable Record Carriers” (US Patent 4.057.833)的插图。图一展示了一种光学跟踪的实验装置。图二是其原理：该装置使用聚焦光场照明光盘上的结构。反射光中的零（35）与正负一（36-39）级衍射部分从重叠。根据重叠区域中的相位变化（反映为光强度变化）可以估计聚焦光斑中心点位置偏移，从而使聚焦光斑精确地跟踪光盘上的信息结构。该原理后来被用于在光刻中测量套刻误差（overlay metrology）

　　飞利浦与索尼的合作持续到了DVD的出现。两家公司尽可能地利用CD产品的所有权，这导致其它光学存储媒介和播放器公司变得更觊觎这一市场。他们一方面要求降低专利费用，另一方面开始自己研究更先进的新型系统。在1994年的夏天，10家公司（主要是日本公司）宣布了一种用于视频播放与记录的新型光学系统（DVD），飞利浦和索尼被刻意地排除在外。然而在随后的专利战中，因为这两家企业具有的一些非常基本的专利权利，其他公司不得不接受它们，但是它们在新型DVD系统中的收益被极大地削弱了。对我个人而言，我很高兴看到我在1976年申请专利的一种光学径向跟踪方法（尽管该方法在当时对于CD来说过于复杂）被纳入了DVD标准中。

　　在DVD之后，飞利浦和索尼又一同研究了使用405 nm蓝色激光的光学存储新标准，这也是光学存储的最后一个标准。更逐步发展的使用准接触（“固体浸没”）光学记录的方法尽管已经在研究过程中，但是该标准从未被公开。接下来随着mp3的普及，人类进入了固态存储的时代，流媒体技术成为了向消费者传输数据的第二种新方式。2015年以后，新生产的笔记本或者台式电脑几乎不再包含光盘驱动器。CD技术至此，发展了40年以后，光学存储真正地玩完了（the game was over）！

　　恰巧我在2006年12月正式从飞利浦公司退休，公司停止了所有光学存储的研究和生产活动。我的研究兴趣也转向光刻和包括天文方向的光学成像领域。

　　Joseph:我不认为光存储还具有任何应用前景！各种研究早已证明光存储技术（如CD、DVD和蓝光光盘）的信息空间密度无法超越磁性存储（如硬盘驱动器）。同时随着网络的普及，尤其是云计算、数据流媒体服务的发展，我们正常的生活中已经几乎不再需要一种廉价的存储介质。云存储提供了几乎无限的存储容量和便捷的数据访问方式，而流媒体服务则允许用户直接在线观看或听音乐，无需下载或存储大量数据。因此，取代光存储的并不是另一种存储方法，而是新技术带来的全新的使用习惯和体验。

　　Joseph：早在20世纪50年代末，飞利浦就在光学研究部门中设立了一个掩模制造实验室。该实验室在基底上产生光学图案（最初是二元黑白图案），用来生产包含分立电子器件的集成电路板的掩模。当第一个集成电路于1959年被美国仙童半导体公司（Fairchild）发明时，飞利浦的实验室就已经专注于生产用来制造晶体管集成电路的光学图案。到20世纪70年代，曾经参与光存储研究的科学家也开始加入掩模制造实验室和光刻的研究。

　　最初光刻使用所谓的“接触光刻”。该技术唯一涉及的光学原理是菲涅尔衍射，它决定掩膜的细节随着掩膜与芯片表面的增加而逐渐变得模糊。“接触光刻”局限于1比1的放大倍率，在光学波长范围仅能轻松实现大约2 μm的极限分辨率和10 cm的芯片尺寸。为了更好的提高分辨率，能够正常的使用更短波长的光源，比如X射线。

　　下一步是使用同样1比1放大倍率的投影光刻技术。该技术能重复利用“接触光刻”同样的掩膜。飞利浦首先制造了一台0.2数值孔径的光刻机，但是其中的光学系统难以避免变得过于复杂和庞大。处理方法是将“缩小”的投影镜头与步进原理相结合，增加分辨率与视场（通过步进与重复）。法国的天文成像和空间光学企业Cerco公司制造了飞利浦的第一个缩小投影镜头，它的总长度为60 cm。根据飞利浦的要求，该镜头使用高压汞灯为照明光源，并同时使用光源光谱中的 g线和h线消除曝光中光刻胶中产生的z方向驻波图案。尽管Cerco公司能够交付一些设计精良的原型，但是后来大批量生产却遇到了困难。另外，该公司设计的镜头在视场边缘的成像质量非常差。

　　20世纪70年代中期，飞利浦自己设计了新一代数值孔径为0.3、视场为10 × 10 mm2的投影镜头。理论上该设计相比之前的设计拥有更宽裕的公差。但是很不幸第一个原型却不甚理想。我用我自己的设计程序分析镜头设计的时候发现若干处的公差非常的严格，这使得光学制造面临严峻的挑战。最终因为质量上的问题，Cerco公司没有能够为飞利浦的第一台步进式光刻机制造足够数量的投影镜头。

　　基于各种各样的因素的考量，飞利浦公司最终决定于1979年出售光刻项目，并邀请了包括Perkin-Elmer在内的潜在买家访问飞利浦Science and Industry部门，进行深入的技术交流。Perkin-Elmer的光学与机械专家们不满意飞利浦系统的投影物镜（色散问题和视场成像质量）和机械结构（晶元台使用油液压传动系统）。最终在1984年，飞利浦的光刻部门与ASM（一家由Arthur del Prado领导的荷兰超净间设备制造商）成立了一家合资公司，新公司名为ASM-Lithography（ASML）。

　　邵屹峰，分别于中山大学与荷兰的代尔夫特理工大学获得本科与博士学位，现任代尔夫特理工大学博士后研究员。博士后期间致力于光学在半导体领域的应用研究，包括特征尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）的像差测量与图像恢复，用于晶元与掩膜板检测的EUV衍射层叠成像。研究期间与ASML共同获得5项发明专利，并在Advanced Photonics、Light Science & Applications等期刊发表多篇学术论文。

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