光刻机物镜是光刻机的核心光学元件，负责将电路图案缩小投影到晶圆上。为了满足EUV光刻机的要求，镜头要经过超精密抛光，达到原子级别的的加工精度，挑战着超精密加工能力的极限。类似的超精密加工技术还可应用在大型望远镜和激光系统中，服务于科研和国防。

深紫外（DUV）光刻机（使用193nm波长的ArF准分子激光）依靠一系列透镜构成投影物镜系统，把掩膜的图案放大投影到晶圆上。其 透镜由石英玻璃制成。

极紫外光（EUV，13.5nm，由二氧化碳激光轰击锡液滴产生）穿透能力极弱，无法用透镜来调整光路，因此极紫外光刻机的物镜光路都是反射式的。

(相关资料图)

荷兰ASML公司的EUV光刻机利用布拉格衍射的原理实现EUV的反射。反射镜由高精度的玻璃基底和沉积在其上的纳米厚度周期性硅/钼（Si/Mo）多层膜构成。

最新一代的EUV光刻机反射镜最大直径1.2米，面形精度峰谷值0.12纳米，表面粗糙度20皮米（=0.02纳米=0.2埃），也就是说达到了原子级别的平坦。

光刻机所用的波长越短，制程就越先进，但对物镜的加工精度要求就越高。

下列是德国蔡司公司为ASML公司生产光刻机物镜的流程：

镜片由高精度机床铣磨成型后，还要经过小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光等超精密抛光手段，才能达到所需的精度。

之后再进行镀膜（对于DUV物镜，是镀减反射膜；对于EUV物镜，是镀反射多层膜）。

超精密光学镜头加工技术的基础是计算机数控光学表面成形技术（CCOS），用计算机自动化控制代替了人的经验控制。下列技术都是基于CCOS原理的发展。

小磨头抛光技术是使用一个比工件口径小得多的磨头对工件进行抛光，通过控制磨头在工件表面不同位置的驻留时间以及磨头与工件之间的压强来控制材料去除量，能够实现数十纳米级的加工精度。

更先进的技术是应力盘抛光，即抛光盘在计算机控制下可根据要加工的形状实时变形，实现抛光盘与工件的完全贴合。

（图为小磨头抛光过程，正在接受加工的是对地观测卫星所用的大口径碳化硅反射镜）

接下来是磁流变抛光，使用具有磁流变效应的特殊抛光液作为抛光材料。

这种抛光液含有无磁性的抛光粉和磁性的铁粉，在无磁场时表现为常规的液体状态，而在磁场作用下铁粉定向排列使抛光液表现出类固体性质。

磁流变抛光液吸附在带磁场的抛光轮上，形成一层柔性抛光模，随抛光轮的转动与工件接触，对工件表面进行塑性剪切去除。抛光模的刚度和韧性等参数可以通过磁场进行实时精确调控，与工件表面始终紧密贴合，加工效率高、加工过程稳定、加工精度高、表面质量好（不产生表面和亚表面损伤），可将面型精度提高到纳米级。

中科院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）突破国外技术封锁，自主研制出4米量级非球面数控光学加工中心，集成了应力盘抛光和磁流变抛光功能（下图），加工出国际上最大的4.03米口径碳化硅反射镜（国外大口径反射镜使用微晶玻璃等其他材质或由多块拼接而成），可用于天文观测和对地观测，服务于科研和国防。

最后，依靠离子束抛光技术，可将镜头的精度提升到亚纳米级。

在真空条件下，利用电场将氩气等惰性气体电离为离子，轰击工件表面，将表面原子去除。这是一种原子量级的加工手段，可以达到原子级的精度和表面粗糙度，加工的准确性和稳定性好，与工件之间没有机械接触、不产生表面损伤，是目前最先进的光学元件加工技术。但是离子束抛光的加工效率低，一般作为最后一道精确修形的手段。

（图为国防科技大学用自主研制的离子束抛光机床加工DUV光刻机所用的石英镜头，来自2013年的《新闻联播》）

国内从事超精密光学元件加工和机床开发的主要有国防科大、哈尔滨工业大学等高校以及中科院长春光机所、光电所、南京天光所等单位。

《新闻联播》中展示的国防科大加工的不透明镜片可能是单晶硅、碳化硅或铝制的。

除了光刻机和望远镜，超精密光学元件还被应用于激光技术中，服务于激光武器、激光点火核聚变等前沿领域，堪称是科技强国最犀利的眼睛。

网络上有很多文章说德国蔡司公司用德国ALZMETALL（奥美特公司）GS-1400重型精密立式五轴摇篮机床把EUV光刻机镜头直接加工到20皮米的表面粗糙度，风闻最近也有帖子提到。我对此感到怀疑，查证了一下，我认为这是一个误传，于是就有了这篇帖子。

蔡司公司加工光刻机镜头确实要用到精密机床铣磨，但后续还要经过小磨头抛光、磁流变抛光和离子束抛光（都是基于计算机控制光学表面成型技术，所以蔡司公司的资料里称为计算机控制抛光）才能达到0.12纳米的面型精度峰谷值和20皮米的表面粗糙度。

误传可能源自对蔡司公司这份PPT的误解：https://www.ipcei-me.eu/wp-content/uploads/2020/11/ESSDERC19-IPCEI-S3-ZEISS_Bilski_High_NA_EUV_Optics.pdf

这个PPT里提到了新一代EUV光刻机物镜的加工精度，但在加工方法中只给出了GS1400型机床，所以被误以为是由这台机床一次性加工到最终精度。事实上，PPT展示的物镜所标注的“First mirror ground”中“ground”是“grind”的过去分词，意为“研磨”，即这个镜片只经过了机床的研磨，之后还需要经过抛光（polish）才能达到最终的原子级精度，这是机加工机床所望尘莫及的。

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