從德國蔡司和光刻機的故事聊聊大歷史的變遷_風聞

(Photo: ZEISS)

有位讀者給《光刻機之戰》留言，説德國蔡司才是真正的王者，怎麼自己不做光刻機呢。

這還真不是個蠢問題，尼康和佳能都做蔡司為什麼不能做呢？其實蔡司還真做過光刻機。

在我翻譯的《ASML’s Architects》(暫定名：阿斯麥傳奇)一書裏，有詳細地講到蔡司的故事。中間很多不為人知的往事，讓我今天決定抽取一點細節發散聊一下。

一、

蔡司公司迄今已經超過170年曆史，中間的風風雨雨不敢多講，我們從二戰開始説。

二戰期間，蔡司是德軍望遠鏡、測距儀和各種火炮戰機瞄準鏡的主要供應商。其著名的T鍍膜使得狙擊手的望遠鏡不會因陽光反射暴露位置，極大提高了戰鬥力。

因為當時的德國光學技術領先於美國，所以在1945年4月巴頓將軍率領第三集團軍不顧破壞雅爾塔協定的風險，闖入劃給蘇聯的東德區域，佔領了蔡司所在的耶拿和德累斯頓。

美國人準備用600輛卡車把蔡司整個搬到西德去，但是蘇軍在德國的迅速推進使美國的計劃泡湯了。美國最後只帶走了蔡司的84個和肖特的41個核心技術和管理人員，在西德奧柏科亨新建了一個蔡司，這就是今天蔡司的總部。

蘇聯則大量擄走了剩下的專家和蔡司工廠的設備。神奇的是，在耶拿祖祖輩輩磨玻璃的工匠們自己重新再來，迅速重建了東德的耶拿蔡司。

在1990年兩德合併時，西德蔡司有15000員工，而東德蔡司有50000員工。

由於政客的撮合，西德蔡司不情願地合併了虧損中的老國企東德蔡司。當時西德蔡司已經被日本打得節節敗退自顧不暇，自己旗下的Contax（康泰時）和Pentax（賓得）相機早都被迫賣給日本人。蔡司引以為豪的機械快門在日本人電子測光電子快門等各種電子技術打擊下毫無還手之力。

曾和蔡司配合登月的瑞典哈蘇，也開始轉向日本技術，這在當時是一個沉重的心理打擊。

二、

而在這時，正好是虧損了5年的ASML準備起飛的時候。同樣缺錢正在裁員的蔡司成了個“絆腳石”。一年幾十套光刻機鏡頭的生意對蔡司來講確實是不大的生意，但對ASML來講卻是生命線。1990年的時候，蔡司6名頂級技工一年只能磨出10套i線光刻鏡頭。

機器粗磨後，激光測畫出鏡頭表面的起伏圖。然後這些在蔡司被稱為“金手指”的工匠完全靠手感，一邊看着圖一邊精細地打磨掉高差幾十納米的部分，以達到對稱的感覺。

因為缺人，蔡司跑遍全球去找這樣的工匠，但是仍遠遠找不到所需的四十個人。

更糟糕的是，即使是出品的鏡頭，也是問題不斷。

三、

工匠們打磨到完美的鏡頭，在IBM光刻試驗時仍發現投影圖案的扭曲。經過長達數月的精密測量，仍不能找到鏡頭本身曲面和設計存在的問題。

最後，結論是鏡頭玻璃裏存在的微小應力可能是圖像失真的根本原因。然而，蔡司旗下另一家百年玻璃專家肖特(Schott)表示很難把應力降到光刻機需要的這種細微程度。

更多的問題在芯片工廠出現了。美光公司(Micron)發現蔡司鏡頭用一段時間後透光率會顯著下降，經過仔細分析發現是極其細微的碳沉積在鏡頭表面。

這個詭異的問題更是沒人可以預料到的。

蔡司的鏡頭組是用低壓氦氣密封的，因為這種惰性氣體折射率比真空的差值比空氣低六倍。結果最終發現鏡頭粘接用的膠水裏面是含碳的，它在光刻機的高能紫外線催化作用下起了反應。

四、

具體這些問題最終如何解決，並不是本文想探討的。

ASML成立後經歷了九死一生，各種問題不斷，它幾乎10年沒賺到錢。特別是具有遠見卓識的ASM老闆Del Prado，他親自促成了公司的創建；但他在基本沒有犯錯誤的情況下，仍虧損3500萬美元黯然出局。

這只是大時代的洪流，大型研發項目由單一個人或公司承擔越來越難。

今天，7nm的單款芯片研發投入高達3億美元。即使像華為這樣不差錢的公司，依然需要依賴ARM、台積電和Cadence等公司的支持。而年投資超過100億美元的台積電，也依賴於各種半導體設備和原材料廠商。

那麼，面對我國目前的情況，我想把話題再扯遠一點，看看美國是怎麼崛起的。

五、

從1860年代美國南北戰爭到了1900年的40年，是美國大學擴招的40年。總的大學數量從600所到6000所翻了10倍，工程師紅利也使得美國工業飛速發展。

現在Top 10裏面的幾大理工強校(斯坦福、麻省理工、加州理工、伯克利和芝大)都誕生在這個時期。要知道此時美國已建國百年，這些都算新學校。老牌名校哈佛、耶魯、普林斯頓比建國還早。

後來好多的百年巨頭，比如通用電氣、可口可樂、美國運通等也都創立在那個時期。

1900年前後動工的芝加哥、波士頓和紐約地鐵，也是像今天高鐵一樣彰顯製造業龍頭的標誌。

美國GDP大約在1900年前後追上日不落帝國成為世界第一。

有沒有覺得很眼熟，我們改革開放也40年了，工程師紅利也吃了很多年。

​

六、

GDP總量雖然超過大英帝國，但是美國當時的真正實力又如何呢？為什麼他們又花了足足三、四十年時間，才真正確立了霸主地位？拋開其它因素，我們只從科技角度看一下。

把科技量化比較困難，所以我們用基礎科學來代替。正好從1901年開始有了諾貝爾獎，這個獎的權威性毋庸置疑。

我們來看看，美國在經濟總量第一以後在30年的時間內科學水準如何：

這張圖排除了文學和和平兩項獎。我們可以看出，美國在二十世紀初的科研水平遠遠落後於歐洲，甚至單比德英法任何一個都比不過。我特地查了一下，美國這6個獲獎者當中，其實有3個人還是出生歐洲的移民。

那時德國科學技術的強大，也可以解釋他們為什麼有底氣發動兩次世界大戰。德國的俾斯麥號戰列艦、V2飛彈、夜間戰鬥機、虎式坦克等都出類拔萃。但只有七千萬的人口規模，又缺乏石油，使得德國顯然無法同時和英美蘇進行軍事對抗。

當然，諾貝爾獎的頒發有一定的滯後。不過那個年代滯後遠不像今天這麼多，因此還是足夠説明問題的。

那時候的科學中心是慕尼黑、哥廷根、哥本哈根或者劍橋，反正不是哈佛斯坦福。

1930年代起，以納粹德國為首的歐洲排猶浪潮愈演愈烈。大批猶太科學家移民到美國，也有很多其他種族的科學家為了躲避戰亂來到美國。

愛因斯坦、弗朗克和費米等眾多歐洲諾貝爾獎得主移居美國，更可看作世界科學中心從歐洲搬到美國的標誌。1945年德國投降後，美國立即派出3000名科學家穿着軍裝到德國蒐羅科技資料和帶走科學家，上面提到的蔡司只是其中之一。

我們再來看一下20世紀後段的諾貝爾獎分佈，以得獎者工作所在地來區分：

從上圖可以看出，美國的基礎科研已經佔據碾壓式的優勢。這使得美國在電子、材料、生物等高科技基礎研究一馬當先，在航天航空、醫藥、化工以及半導體等具體應用領域佔有極大優勢。

七、

日本、韓國和歐洲則在深入挖掘製造業方面，找到了自己的定位。挑戰美國的霸主地位，並不是他們要做的事情。

信息時代最大的好處就是世界變平了。今天的開源潮流和各種IP授權使得我國在IT領域彎道超車成為可能。世界上各種頂尖基礎科研成果也可以點點鼠標就下載到。

人才是唯一要解決的問題，美國人當初那種排猶的機會似乎今天又有了一點點可能。我國更加積極的移民政策絕對是利大於弊的。

不好意思，今天扯得太遠有點收不回來了。

八、

東德蔡司確實做過光刻機，給當時的華約陣營使用，但數量不多。ASML曾派三個人去考察，結果發現在耶拿居然只有一間二十個房間的酒店，而整個山谷被燒煤帶來的煙霧所籠罩。

各種落後使得蔡司的光刻機並沒有競爭力，但它的光學底藴則是不容置疑的。通過深入挖掘其工程師在高科技領域的潛力，蔡司重新確立了其在工業和醫療光學領域的領先地位。

今天在蔡司四大事業羣中，半導體制造技術事業羣(SMT)已經被公司排到第一位，貢獻了公司四分之一的營收。ASML則入股了SMT四分之一的股份。

蔡司在超淨室裝配ASML EUV的光學模塊 (Photo: ZEISS)

ASML和蔡司有截然不同公司文化：ASML是積極進取，而蔡司是保守寬容。《ASML’s Architects》作者Rene説，兩家公司的差異就像兩公司的首字母A到Z那麼遠，其間的各種矛盾數也數不清。

但那些頂級工程師們在一起激情燃燒的歲月，還是讓人羨慕不已。