[原创内容] 再来聊聊泥潭最喜欢的光刻机——镜头

  
  还是上次的原因，大部分人事实上对于这方面完全没有了解，发表的言论， 辣眼睛 。而我作为从业人士，在思考之前阻止自己的手指点进贴中是一件非常困难的事情。
  但是泥潭又很喜欢讨论，即使大部分情况下这样的讨论只是叶公好龙，为了发表自己的社论随机寻找了一个立足点，但无论如何，讨论还是需要了解的基础。
  所以不如开个贴，和大家聊一聊。

声明在先：

• 本帖拒绝任何无声明无授权转载，并保留对盈利目的的无授权转载者追责的权利。
• 出于各种免责考虑，我会尽量避免直接提及除ASML之外任何一家商用光刻机设备商，同时也避免提及任何一家代工厂(Foundary),IDM，Fabless设计商，并且我不会提及涉及任何一家芯片制造商制程相关内容；以上不提及的内容，我也拒绝在回复中讨论。如果任何相关人士觉得我有不当涉及，请私信，我会删除。
• 作者并未亲手用磨砂纸打磨过光刻机镜头，本帖内容也可能受作者视野限制存在谬误，请指出。
• 本帖较长，大家挑喜欢的看，但科普当前，还请不要再在毫无了解的情况下加入讨论。
• 谢谢大家抽空赏读。

  
  先回答一个问题，人工抛光是指工人，拿个磨砂纸，跑镜头边上磨吗？显然，不是。
  光刻机的镜片材料选用的是石英玻璃，这是综合考虑到石英玻璃极为优秀的光学特性的，即使是石英玻璃会在长久的UV照射下老化，光学特性渐渐改变，它仍然几乎是优秀的镜片材料。
  镜片的“打磨”，实际上应当分为两个部分：研磨和抛光。在镜片的加工中，确实存在用专业的金相砂纸去研磨镜面的操作，但是研磨，是不能直接获得平整的镜面的。
  要从一块粗糙不平的玻璃制造出一个光滑的镜面，我们会先需要研磨：操作方法很多，常见的方法除了直接用大型的磨盘在工件面上转转转，也会使用各种坚硬(也可能是柔软)颗粒混在溶液里，然后在工件面上转转转。一块镜面的研磨通常不是一次成型的，往往是需要多步，从粗到细一点点磨平，打磨成需要的形状。
  接下来是抛光，许多人以为的打磨其实是上一步研磨，而真正让镜面成为镜面的其实是这步抛光：操作方法也很多，常见的诸如物理机械抛光，和研磨类似，但是使用了更细密的颗粒，更细腻的抛光垫，或者更直接点使用磁流体，获得一个可以随意调整的研磨接触面(磁流变抛光)；化学机械抛光(CMP)，利用特定的抛光液，在石英玻璃表面与二氧化硅分子反应，带走粗糙部分的二氧化硅，达到抛光效果，这一步通常也需要一个抛光垫，带着抛光液在工件表面转转转；甚至还有直接使用激光刻蚀来进行抛光的操作。
  可以发现，研磨抛光无论如何都躲不开 转转转 ，就如同大型螺旋桨表面的抛光会像鳞片状一样分块抛光，大型的玻璃镜头表面也是一样，是分块抛光的，而保持这些抛光面之间平整，是最复杂的技术。
  但也不是人工手持一片磨砂纸去磨。
  我们会选用合适的光学检测设备，利用镜片的光学特性，来放大他自身的缺陷，在进行了光学的扫描和分析之后，设备通常会根据预设的“Recipe”自动选出所有可能存在的缺陷。这时，就开始需要工程师/技术工人的人工介入了，先“Review”列表中所有的缺陷，人工判断这些缺陷是否是需要人工介入的，然后在算法的辅助下找到这个缺陷的位置，补抛光，通常是磁流变抛光，一般也不是直接用手持，磨盘很重，徒手是拿不稳的，人做的事情，是在机械臂的辅助下，手动调整打磨抛光。在工业上，不是机台全自动完成的，就会被称为人工(manual)。
  全部修补完后，把镜片送回去再检测，再发现问题则循环上一步，直到没有，然后这些检测出来的参数，就作为镜片的出厂参数了。

  
  直接来说一片透镜如何从 沙子变成透镜 吧。

• 制备：首先，制备一大块晶体结构足够均匀的石英玻璃，会做的不多，但是是落后技术。
• 研磨：将这块石英玻璃研磨成想要的形状，研磨并不是单一的步骤，中间可能会包含从粗研磨到细研磨等一系列工艺，完成之后我们会得到一块透镜形状的玻璃。
• 抛光：一块量产的透镜在这一步通常会有预设好的程序来加工到人工干预前，这时这块玻璃已经是一块光滑的透镜了，当然，存在缺陷。
• 检测：利用光学仪器放大并检测透镜的缺陷，在一块巨大的透镜上，精密地扫描出所有的缺陷，是极为复杂的事情；如果没有扫出缺陷，跳至出厂参数确认。
• 人工干预：这步就是被误解最深的，所谓“ 人手打磨 ”，在精妙的光学检测仪器的帮助下，修补抛光，然后重复上一步检测。
• 确认出厂参数：对透镜做一个完整的检测，确认这块透镜的各类参数，因为即使到了出厂这一步，每一块成品仍然是完全不同的，通常参数在预设范围内的成品标为合格并交货，但是这些参数仍然可能会透镜用于生产的产生足够大的影响，因此出厂参数是不可或缺的。

  
  镜片出厂了，我们刚才说过，仍然是每一片都有不同，那么这个不同体现在哪呢？对于透镜，当然是他聚焦/散射光的能力。
  我们需要一种方式，去描述这些变化，于是数学家们站了出来，他们用一个多项式来描述波前像差的各种特性，也就是Zernike多项式，考虑到我即使简单描述也会有许多人表示看不懂的情况，我就不在这里从数学上讲解这一多项式了，有兴趣的可以自行跟随课件进行学习。
  [img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202010/06/-7Q5-ier5KvT3cSj4-m8.gif[/img]
  多项式的每一项都描述了一种波前畸变(比如Z0，显然，是一个平移，表述了焦点的平移)。
  [img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202010/06/-7Q5-9fw5ZwT3cStm-k6.png[/img]
  这种三角式的展开描述是我们建模展开一些复杂情况时常用的手段。

  于是有了这样一个工具，每一片镜片都有了可以描述其距离理想状态的一系列参数，于是当我们将它们组成为镜组时，也可以计算出各个镜片需要做的额外调整。而将整个镜组视为一个整体时，它也会有一列Zernike参数来描述这个镜片的畸变。
  有了量化的畸变标准，自然就有了补偿的方向，于是就会有对应的精密检测手段，检测镜片/整个镜组得到大量数据，然后利用线性回归将数据在我们需要的范围内展开为Zernike系数，然后利用镜组中的镜片相互补偿，这个补偿涉及镜组结构，是各家的技术核心之一。在这样的多项式里，阶数表述了像差的复杂性，对于工业补偿而言也意味着补偿难度，通常情况下，Zernike会被补偿到5阶，也即上面这张图再往下多一行的位置，ASML的镜组结构能补偿非常多，甚至有余韵来帮助补偿套刻误差(Overlay)。

  
  所有的机器都需要出厂调零，镜组也是。对于需要动态变化的镜头，除去刚才描述的Zernike系数，他的各类机械参数也是非常重要的：某一个镜片位置偏下0.3nm，某一片镜片需要倾转0.3角分，这些都是需要在出厂和安装时都进行调零以确保机台处于最佳状态的。
  这部分调零的测量是和Zernike相互干扰的，因而一套有效的测量工具和算法帮助巨大。ASML的测量可以说的独步天下，对每一个机械结构的测量和把控都非常精确，在已经完成了出厂调零并预设好参数的情况下，甚至可以做到机台一轮自检自测就还原回最佳的调零状态。

• 镜头的制造有研磨和抛光，人工干预在抛光后。
• 人工补缺需要精密测量仪器，然后在机械的辅助下手动调整， 不是徒手拿个金相砂纸就上了 。
• 如此精密制造出来的镜片仍然各有不同，需要形成产品时再度调整。
• 难的真的不是“打磨”环节，而是测量。

  最后再补一句，其实，关于大型镜片制造这个问题，如果只是找一个发表社论的切入点，那我无话可说；但如果是发自内心忧虑技术，dark不必，可以信任一下全世界唯二具备大型钕玻璃透镜制备的院所，毕竟浸淫了一辈子的技工，再怎么说，也差了浸淫一辈子的博士两层学历，对吧。