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当光学照进现实:康宁先进光学助力芯片/增强现实等新应用飞速前进

在不久前康宁举办的“创新之火,光耀未来”中国媒体分享会上,我们了解到,玻璃作为变革性材料,除了我们常见的显示设备、手机、汽车屏幕,在芯片制造、AR/MR等先进光学领域同样发挥着决定性的作用。在康宁的媒体日活动中,我们带着对未来玻璃材料在先进光学领域的期待,采访了康宁先进光学大中国区商务总监秦奋先生,来听听他对于玻璃材料是如何推动创新驱动力的独到见解。

成立于1851年的康宁为人类的电气史做出了大量贡献,白炽灯关键部分玻璃灯罩就是由其发明并制造出来的。2022年是联合国宣布的国际玻璃年。从这次活动上,我们也可得以一窥康宁和科技发展的深刻渊源。

随着移动互联网的日趋成熟,手机、智能穿戴设备、新能源汽车等移动设备,逐渐丰富我们的交互体验,我们的日常生活可以说已经跟小小的芯片紧密相关了。尽管受到近两年疫情影响,全球芯片行业出现了动荡,但是在过去的2021年,全球芯片市场规模增速仍然达到了创纪录的26.2%。特别是先进制程芯片的市场需求,依然在不断增长。TechInsights的调研数据显示,2022年一季度,全球半导体销售额仍然高达1440亿美元,较疫情前的水平增长了31%;TechInsights的另一项调查数据则显示,2021年全球晶圆厂及IDM 资本开支约为 1485 亿美元,较2020年同比增长37%。

关于康宁举办这次活动的初衷,秦奋表示:“中国是康宁最重要的战略市场之一,也是到目前为止,除美国市场外唯一一个5大市场业务集团以及新兴业务均有运营的市场。康宁在三大核心技术(玻璃科技、陶瓷科技和光学物理)、四大工程制造平台(气相沉积、熔融、挤出成型和精密成型)和五大市场准入平台(光通信、显示科技、汽车应用、移动消费电子和生命科学)方面处于世界领先地位。”

在先进光学领域,康宁凭借其在光学物理方面的强大专业知识,生产高质量的半导体光学产品以及完整的光学系统,为消费设备带来更智能,性能更强,更互联的产品功能。此外,康宁还生产专门的玻璃基板,通过支持增强现实和混合现实的可穿戴设备以及精确的3D传感和面部识别的解决方案,实现沉浸式的用户体验。

同时,康宁也是半导体行业全球领先的材料和光学产品供应商,为氟化氪(KrF)、氟化氩(ArF)和极紫外(EUV)光刻系统提供光学材料,包括康宁HPFS熔融二氧化硅和康宁ULE超低膨胀玻璃。此外,康宁为OEM应用——例如光刻、检测、生命科学和高端工业等领域提供高度工程化、定制化的光学系统。这些光学系统包括精密光学、检测光学,以及计量仪器。

“半导体,或称‘芯片’,是当今世界上几乎所有与我们互动的技术的基础。扩展现实(Extended Reality)和元宇宙(metaverse)的出现表明,芯片将继续对未来的新应用至关重要。康宁在支持芯片制造过程的几乎每一步,并在响应不断增长的客户和技术需求方面都处于有利地位。” 秦奋先生在访谈中提到,“康宁先进光学的全新2.0高折射率玻璃将为AR/MR可穿戴设备带来更宽广的视场角(FOV)和更出色的光学清晰度,以及优异的蓝光透光率。相比较低折射率的玻璃产品,2.0高折射率的玻璃晶圆能够帮助客户利用更少的玻璃镜片制造具备更宽广视场角的产品,从而让更轻盈、更时尚、更经济的头戴设备设计成为可能。”

采用康宁高折射率玻璃晶圆的AR眼镜

Q:康宁在光刻领域有哪些主要技术和产品?这些技术产品主要用于多少纳米的工艺制程?

秦奋:康宁从最开始就进入了光刻领域。与光刻行业相关产品叫做HPFS高纯度熔融石英玻璃,康宁早在1940年就已经做出来这款产品,但当时主要应用是做地基的天文望远镜的镜胚。因为它的热膨胀系数较低,但是随着光刻机的发展,我们发现这个玻璃在紫外波段的透过率非常高,从最开始的I线到氟化氪,到氟化氩,到现在的EUV,我们的产品也是在不断地升级换代更新。

从目前来看,包括中低端的,比如100个纳米线宽或者60纳米、40纳米,到更高端的5纳米和3纳米,康宁都会提供相应的产品来满足对光刻机的需求,以及光刻工艺的需求。我们也可以非常自豪地说,到目前为止,几乎所有的芯片制造都使用了康宁熔融石英玻璃所做的光刻机。

Q:目前中国非常重视芯片的发展,在先进光学领域,康宁有哪些针对中国内地市场的本土化的合作举措?

秦奋:康宁先进光学的产品,几乎渗透了整个半导体制造从前道工艺到后道工艺的方方面面,因此这样的案例其实非常多。我们一直以来非常重视中国市场,现在已经和国内非常多的客户,包括研究所建立了联系。在合作的过程中,为我们的客户提供优异的产品,包括优质的服务,能够帮助国内的市场快速的发展起来。

可以说从半导体制造到后端封装,以及整个半导体中的光学类的消费品,我们都给国内客户提供相关的产品和服务。比如光刻机制造,目前康宁和国内的客户,都有比较直接和稳定的联系。能够给国内半导体先进制造添砖加瓦,为国内半导体制造商提供相应的玻璃产品和相关的技术支持,我们也非常自豪。再比如,在半导体制造的后端方面,随着中国开始通过第三代半导体技术实现弯道超车,在半导体先进封装的过程当中,我们给国内的客户提供相关的玻璃晶圆。客户在玻璃晶圆的基础上,实现硅片减薄的工艺,可以有效地减少芯片最终的尺寸和厚度,从而满足他们的需求。此外,国内也在做类似于光学芯片或者光电类芯片封装。在这些行业里面,我们也为客户提供相应的玻璃,依靠比较高的透过率或者比较平整的玻璃面型,帮助客户给消费电子的一些关键摄像头或者显示类的芯片,给他们提供非常好的产品。

Q:这两年AR和VR结合元宇宙的概念火起来了,康宁公司是如何看待这个方面的发展?可以分享康宁在这个领域的一些合作案例,以及未来康宁在XR领域发力的方向吗?

秦奋:XR或者元宇宙的概念,对于康宁来说同样是非常新、非常有挑战的课题。我们可以从三个方面来讲:

  第一,先进的载体对于芯片的需求也是非常高,因此对计算芯片最小线宽的要求也是越来越小。而康宁也生产设计出了不同种类的光学产品,来满足整个半导体制造领域客户制作芯片的需求。

  第二,元宇宙的载体可以是AR眼镜。AR眼镜基本是通过光传导来实现的。康宁目前最关注的是平面光波导的AR眼镜技术。康宁在先进光学领域的技术积累,可以为客户提供高折射率的玻璃,这些玻璃可以为AR眼镜提供比较大的视场角,使画面变得非常的清晰,特别是在蓝光方面,它的透过率非常高,能给客户带来非常好的体验,制造出来的AR眼镜也是比较轻巧、时尚的。

  第三,尽管目前AR眼镜会用到各种显示系统,但是其中一个较为主流的显示系统是microLED。在它的生产制造过程中,康宁先进光学同样可以提供相关玻璃晶圆的载体。这些载体可以有效地帮助microLED的制造商以及AR眼镜生产商降低生产成本,达到比较经济的量产规模。

Q:对于VR眼镜类设备来说,光学模组都是其核心元件之一。在消费电子领域,现在的VR和AR,大部分采用的光学模组依然是棱镜方案,光波导方案目前没有量产的产品出现,现在来看有什么技术上面的难题吗?

秦奋:首先从康宁的角度,我们的关注点主要是以AR为主,因为VR设备目前用到的普遍是塑料材料。而康宁为客户提供的是高折射率的玻璃,可以用来为AR眼镜制造的光波导光学模组。相比棱镜方案,光波导系统的优势在于可视角更大,可以让虚拟现实用户拥有更加沉浸式的视觉体验。其次,采用光波导的AR眼镜,也可以更加灵巧,外观可以设计得更加时尚,佩戴感受也更接近普通眼镜,而不是像头盔一样,给用户笨重的感觉。对于可穿戴设备的诸多优点,正是康宁选择光波导方案的关键原因。

另外,康宁的光波导方案有一整套产品组合,高折射率玻璃的折射率也覆盖了1.7、1.8、1.9、2.0,这也是目前世界上领先的高折射率玻璃。折射率越高的显示方案,也就意味着可视角越大,并且有可能在一片玻璃上把RGB三原色全部囊括进去。而高折射率玻璃的重量也非常轻,因此设计出来的眼镜最终不仅体验感好,还会非常轻薄。

Q:从资料来看,康宁的半导体和光学几乎渗透到芯片制造的每一个步骤。在从业者的角度,康宁认为这两年芯片制造行业有什么新的趋势变化?给康宁带来哪些新的挑战?

秦奋:进入半导体行业是激动人心的,也是让我们非常自豪和骄傲的。芯片行业是我们目前新技术的基础,随着技术和客户需求不断发展,半导体制造对芯片的要求也是越来越高,因此整个半导体制造设备的各方面需求也越来越高。因此无论是光刻、检测还是后端封装,康宁先进光学都无时无刻不在积极配合客户,来满足他们的需求。

特别是半导体行业对最小线宽仍在不断探索之中。我们提供的产品,也从最开始的普通光学玻璃,慢慢地发展到满足氟化氪248纳米紫外波段的熔融石英玻璃,然后再到氟化氩,也就是193纳米深紫外光刻使用的玻璃,一直到现在,13纳米波段极紫外光刻机所使用的核心玻璃。当然除了光刻机使用到的投影物镜和照明系统玻璃以外,康宁的玻璃产品也为客户提供了相应的光刻掩膜板。在现阶段让我们非常自豪的是,基本上所有芯片的光刻制造,都用到了康宁研发的熔融石英玻璃。我们也在不断投入研发,希望给客户提供更多更新的产品。

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