專訪荷蘭光刻專家Braat|飛利浦與阿斯麥，光存儲與光刻的時代更迭_風聞
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1973年，Joseph Braat從法國高等光學研究所（Institut d’Optique Graduate School）博士畢業後，進入荷蘭的飛利浦公司（Philips）開展光存儲技術的研究工作，參與並推進了Philips、ASML等公司光刻技術的發展，在光路設計、早期光刻系統設計、衍射極限的光學成像等方面做出了突出貢獻。之後Joseph Braat加入荷蘭代爾夫特理工大學並在光學研究組任教。Joseph Braat教授發表了超60項美國專利及大量研究論文，其論著《成像光學》（Imaging Optics）現已成為光學領域的重要參考資料。
Joseph Braat教授是荷蘭皇家科學與藝術學院院士，是歐洲光學學會的創始人之一，並在2004-2006年擔任主席。這篇訪談中，Joseph Braat教授回顧了他所經歷的光學存儲與光刻的發展，這份經驗對當前形勢下的各方研究人員來説尤顯珍貴。
撰文 | 邵屹峯（荷蘭代爾夫特理工大學博士後研究員）
英文全文已發表在Advanced Photonics2024年第3期，歡迎查看：
Yifeng Shao, “Interview with optical scientist and engineer Joseph Braat,” Adv. Photon. 6, 030502 (2024)
以下內容中，“邵”代表邵屹峯博士，“Joseph”代表Joseph Braat教授。
邵：您與光學結緣始於您在荷蘭代爾夫特理工大學攻讀物理學專業，隨後您在法國高等光學研究所從事關於全息技術的研究。是什麼原因促使您最終選擇光學作為自己職業生涯的研究方向呢？
Joseph：選擇光學研究作為我的職業經歷了兩個階段的過程，首先是我對物理的興趣，繼而對光學着迷。在我的中學時期，我的物理老師是一位從代爾夫特理工畢業的電子工程師，他非常有激情。20世紀60年代初，荷蘭用新式教材取代了20世紀30年代非常老式的物理書籍。這批新式教材基本包含了當時的現代物理知識。儘管在課堂實驗上我們使用非常基礎的設備，甚至部分設備還是學生製作的，依然可以演示物理的原理。逐漸地，我對物理產生了濃厚的興趣並且決定在大學中繼續學習物理。選擇代爾夫特理工大學則是我哥哥的建議，他當時在那裏學習化學。
在代爾夫特理工大學時，Abraham van Heel教授在第一年和第二年教授的兩門光學課程中展示了令人驚豔的課堂實驗，給我留下了深刻的印象。不幸的是，他在1966年5月因為心臟病在自家花園中平靜地去世了。不久後，我加入了由他的兩名助手臨時領導的研究組。1967年1月，來自埃因霍温飛利浦公司的Hendrik de Lang教授接任領導了代爾夫特理工大學的光學研究組。次年，法國發生了著名的“紅五月”學生抗議活動，不僅動搖了當時由年長的戴高樂所領導的政府，其抗議精神還對包括荷蘭在內的諸多國家產生了影響。因為不支持學生們民主化荷蘭大學導致的管理混亂，Hendrik de Lang教授於1969年9月1日離開了代爾夫特理工大學。這導致我失去了碩士論文的導師，但是我仍然幸運地在當年完成了我的研究任務。隨後我獲得了法國外交部獎學金，得以前往巴黎（奧塞）的高等光學研究所攻讀博士學位。
邵：您的求學經歷對您的職業道路有何影響呢？
Joseph：1970-1972年，我在巴黎高等光學研究所Serge Lowenthal教授組裏研究非相干光全息技術。自1920年以來，該研究所從一個軍事的應用技術實驗室發展為一個更加重視基礎科學的研究所。對於我這個博士新生來説，光全息技術是一個新穎而迷人的主題。我記得在巴黎學習初期，相干光學研究人員使用Joseph Goodman的《傅里葉光學導論》（1968年出版的第一版）作為主要的參考文獻。與某些實驗室將大量學生部署在一個大型實驗裝置的情況截然不同，巴黎高等光學研究所內的每個學生都有自己負責的實驗課題，他們可以在自己的暗室中使用自己的實驗設備完成。得益於此，我在巴黎的博士研究很好地平衡了理論與實驗。
1973-1974年，Joseph Goodman在高等光學研究所擔任訪問學者。在此期間我有幸多次與他成為室友，並見證了他第二本著作《統計光學》一書的準備過程。當我在高等光學研究所期間， Alain Aspect也在Lowenthal組研究全息光譜儀。當我後來在飛利浦公司工作時，Alain問我飛利浦的研發部是否可以幫助製造一個足夠大的偏振中性分光器（polarization-neutral beam splitter）。經過一些非凡的努力，飛利浦公司的薄膜沉積部門成功地製造了滿足嚴苛條件的光學元件並將其與送到巴黎的高等光學研究所。這個“立方體”元件填補了光學量子糾纏實驗中的一個潛在漏洞。這個實驗最終幫助Alain贏得了2022年的諾貝爾物理學獎。
邵：在飛利浦公司工作期間，您對光學存儲和光盤技術，尤其是光盤存儲系統的光路設計以及光衍射理論的創新應用等方面，做出了重要貢獻。相關工作還為CD、DVD、藍光光盤等光存儲介質的發明奠定了基礎。在該領域的研究中，您面臨了哪些挑戰？
Joseph：光學存儲的發明和發展是許多人共同努力的結果，我絕不是奠基人之一。早在1969年底該項目就已啓動，而我直到三年後的1973年元旦才加入飛利浦公司。1972年12月的一個國際科技新聞發佈會上，飛利浦公司就向公眾展示了一個可以實時存儲發佈會現場實況視頻的“玻璃盤”（所謂的“主盤”）。早期飛利浦光存儲研究的先鋒人物包括Piet Kramer (光學研究團隊負責人)、 Klaas Compaan (飛利浦教育事業部) 和Gijs Bouwhuis（光學研究員)。他們三人因對光存儲的基礎研究和推廣工作於1986年共同獲得了Ranz光電子獎。
當我加入飛利浦公司時，科學家Harold Hopkins正擔任飛利浦的光學顧問，我被指定為他的聯繫人。Hopkins以他的部分相干成像理論而聞名，他擴展了Zernik與van Cittert在該領域的工作，也發明了許多其它重要的概念，比如光學傳遞函數、互相干係數、和高數值孔徑成像。他還發明瞭變焦鏡頭和用於醫療診斷的光學內窺鏡。但對我來説最重要的是，他還是一位出色的老師！我很幸運能夠與他合作，共同研究光學設計與衍射理論。
我早期的關鍵課題是研究如何精準對焦與跟蹤光盤上的光學信息螺旋，以及如何增加信息密度。我與Hopkins一起研究了光盤的標量讀取模型。後來我擴展了這一模型以兼容編碼與調製的數字信號，並用它制定CD（Compact Disc）和後續的數字光學存儲標準。
在此期間我也擔任了飛利浦研究實驗室與光學供應商之間的聯絡橋樑。為此我編寫了自己的光學設計工具，使用SVD（singular value decomposition）優化光學系統。該軟件也讓飛利浦可以獨立完成非球面設計和光學公差分析。在20世紀80年代初期，我用自己的程序設計了光刻投影物鏡，重點優化了光學系統的公差和可製造性。我必須要強調Geoff Adams開展了光學公差分析的基礎工作，1988年，他在帝國理工完成了關於這一課題的博士論文。
當時飛利浦還在使用IBM 360/370大型計算機，只能夠使用打孔卡輸入數據。這成為了制約計算能力的瓶頸。有一次我的40,000張打孔卡（每張重2.5克，共1000千克）不幸發生了事故。其中兩箱大約5000張卡片掉在地上打亂了關鍵順序。我花了整整兩天的時間才將所有卡片恢復為正確的順序。幸運的是，隨着計算機水平的提升，不久之後我就可以在飛利浦的實驗室使用個人終端數據輸入。大約在1985年， 我終於可以愉快地丟掉所有100公斤打孔卡了！
CD技術開始於1975年，最初是受到了視頻光盤（VLP：video long play disc）的啓發。VLP於1978年在美國被商業化，但是很快就失敗了。只有先鋒公司在該市場中倖存下來並且繼續生產了激光光盤（Laser Disc），直到1994年DVD的出現才停止。1982年秋季，飛利浦與索尼幾乎同時開始銷售全新的CD產品（包括光盤與播放器）。索尼公司主要採取“高質量、高價格”的策略而飛利浦則試圖以“低價格，高銷量”的策略佔領大眾消費市場份額。
在飛利浦的內部發起了一場口號為3個25美金的運動：產品中光學、機械、電子設備各佔25美金，這項運動加速了飛利浦引進塑料光學與機械元件的步伐。同一時期，飛利浦引進了一種以玻璃半球為核心的塑料非球面透鏡以降低價格。雖然該光學元件表現可靠，但是過度使用塑料機械元件導致返修率上升，反而損害了飛利浦CD播放器的聲譽。幾年後，飛利浦僅取得了15%的市場份額，索尼卻佔據了40%。幸運的是，根據專利權分配條款，飛利浦可以從每張光盤獲利60%，而索尼只有40%。
飛利浦與索尼的合作持續到了DVD的出現。兩家公司儘可能地利用CD產品的所有權，這導致其它光學存儲媒介和播放器公司變得更加覬覦這一市場。他們一方面要求降低專利費用，另一方面開始自己研究更先進的新型系統。在1994年的夏天，10家公司（主要是日本公司）宣佈了一種用於視頻播放與記錄的新型光學系統（DVD），飛利浦和索尼被刻意地排除在外。然而在隨後的專利戰中，因為這兩家公司擁有的一些非常基本的專利權利，其他公司不得不接受它們，但是它們在新型DVD系統中的收益被極大地削弱了。對我個人而言，我很高興看到我在1976年申請專利的一種光學徑向跟蹤方法（儘管該方法在當時對於CD來説過於複雜）被納入了DVD標準中。
在DVD之後，飛利浦和索尼又共同研究了使用405 nm藍色激光的光學存儲新標準，這也是光學存儲的最後一個標準。更進一步發展的使用準接觸（“固體浸沒”）光學記錄的方法儘管已經在研究過程中，但是該標準從未被公開。接下來隨着mp3的普及，人類進入了固態存儲的時代，流媒體技術成為了向消費者傳輸數據的第二種新方式。2015年以後，新生產的筆記本或者台式電腦幾乎不再包含光盤驅動器。CD技術至此，發展了40年以後，光學存儲真正地玩完了（the game was over）！
恰巧我在2006年12月正式從飛利浦公司退休，公司停止了所有光學存儲的研究和生產活動。我的研究興趣也轉向光刻和包括天文方向的光學成像領域。
邵：在當前的信息時代，您覺得光存儲是否還具有應用前景呢？
Joseph: 我不認為光存儲還具有任何應用前景！各種研究早已證明光存儲技術（如CD、DVD和藍光光盤）的信息空間密度無法超越磁性存儲（如硬盤驅動器）。同時隨着互聯網的普及，尤其是雲計算、數據流媒體服務的發展，人們生活中已經幾乎不再需要一種廉價的存儲介質。雲存儲提供了幾乎無限的存儲容量和便捷的數據訪問方式，而流媒體服務則允許用户直接在線觀看或聽音樂，無需下載或存儲大量數據。因此，取代光存儲的並不是另一種存儲方法，而是新技術帶來的全新的使用習慣和體驗。
邵：您能夠介紹一下光刻技術在早期階段的發展嗎？
Joseph：早在20世紀50年代末，飛利浦就在光學研究部門中設立了一個掩模製造實驗室。該實驗室在基底上產生光學圖案（最初是二元黑白圖案），用於生產包含分立電子器件的集成電路板的掩模。當第一個集成電路於1959年被美國仙童半導體公司（Fairchild）發明時，飛利浦的實驗室就已經專注於生產用於製造晶體管集成電路的光學圖案。到20世紀70年代，曾經參與光存儲研究的科學家也開始加入掩模製造實驗室和光刻的研究。
最初光刻使用所謂的“接觸光刻”。該技術唯一涉及的光學原理是菲涅爾衍射，它決定掩膜的細節隨着掩膜與芯片表面的增加而逐漸變得模糊。“接觸光刻”侷限於1比1的放大倍率，在光學波長範圍僅可以實現大約2 μm的極限分辨率和10 cm的芯片尺寸。為了提高分辨率，可以使用更短波長的光源，比如X射線。
下一步是使用同樣1比1放大倍率的投影光刻技術。該技術可以重複利用“接觸光刻”同樣的掩膜。飛利浦首先製造了一台0.2數值孔徑的光刻機，但是其中的光學系統難以避免變得過於複雜和龐大。解決辦法是將“縮小”的投影鏡頭與步進原理相結合，增加分辨率與視場（通過步進與重複）。法國的天文成像和空間光學企業Cerco公司製造了飛利浦的第一個縮小投影鏡頭，它的總長度為60 cm。根據飛利浦的要求，該鏡頭使用高壓汞燈為照明光源，並同時使用光源光譜中的 g線和h線消除曝光中光刻膠中產生的z方向駐波圖案。儘管Cerco公司能夠交付一些設計精良的原型，但是後來大批量生產卻遇到了困難。另外，該公司設計的鏡頭在視場邊緣的成像質量非常差。
20世紀70年代中期，飛利浦自己設計了新一代數值孔徑為0.3、視場為10 × 10 mm2的投影鏡頭。理論上該設計相比之前的設計擁有更寬裕的公差。但是很不幸第一個原型卻不甚理想。我用我自己的設計程序分析鏡頭設計的時候發現若干處的公差非常的嚴格，這使得光學制造面臨嚴峻的挑戰。最終因為質量問題，Cerco公司沒有能夠為飛利浦的第一台步進式光刻機制造足夠數量的投影鏡頭。
基於各種因素的考量，飛利浦公司最終決定於1979年出售光刻項目，並邀請了包括Perkin-Elmer在內的潛在買家訪問飛利浦Science and Industry部門，進行深入的技術交流。Perkin-Elmer的光學與機械專家們不滿意飛利浦系統的投影物鏡（色散問題和視場成像質量）和機械結構（晶元台使用油液壓傳動系統）。最終在1984年，飛利浦的光刻部門與ASM（一家由Arthur del Prado領導的荷蘭超淨間設備製造商）成立了一家合資公司，新公司名為ASM-Lithography（ASML）。
特邀採訪人簡介：
本文經授權轉載自微信公眾號“中國激光雜誌社”。
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