德国蔡司公司非球面反射镜加工与检测技术

ainet.cn 2025年01月20日

1 引言

德国蔡司公司自成立至今已经有一百七十多年的历史，在长时间的业务积累和技术沉淀中，推出了很多经典的光学产品，包括眼镜、显微镜、摄影相机、三坐标测量机等，种类丰富，性能优越。在半导体光学领域，蔡司的产品也是一骑绝尘，DUV光刻物镜供不应求，目前它也是极紫外EUV光刻机镜头的独家供应商，为半导体芯片的发展做出了不可替代的贡献。在蔡司公司，有一个部门叫半导体制造部，简称SMT（Semiconductor Manufacturing Technology），专门制造高精度的DUV、EUV光刻光学元件，除了光刻元件之外，这个部门也生产应用于晶圆检测设备中的显微镜片、同步辐射用的光学件、X射线光栅等。蔡司公司的技术令人叹为观止，然而，这帮大神们具体是怎么干的，很少有公开的报道，对于国内的光学从业者而言，它一直是一个神秘的存在。为了让大家对领先的技术有所了解，在今天这篇文章中，我们就以光学非球面反射镜的加工过程为例，对蔡司公司半导体制造部的元件加工与检测技术做详细的介绍，以期待能给大家带来更多的信息和启发。

2 光学非球面反射镜的加工技术

光学反射镜的类型，包括基本的平面、球面、柱面和轮胎面反射镜，非球面反射镜、Wolter掠入射反射镜（由旋转抛物面和旋转双曲面组合成的锥状镜组）、自由曲面反射镜等。

反射镜的材料多种多样，选择用什么材料的镜坯，取决于镜面应用场合的辐照强度。当反射镜用在低辐射强度的系统中时（光能量不强的场合），通常选用熔石英、微晶玻璃（Zerodur）或者ULE材料，它们有比较好的加工特性，稳定性也好。当反射镜应用在有一定辐射强度的系统中时，镜面表面会积聚热量，此时镜坯需要有好的导热特性，来尽快将表面的热量散掉，以避免对光学系统的性能造成影响，在这种情况下，一般用金属反射镜，常用的金属材料是铝或者铜，为了方便抛光，常在镜面表面用化学法镀一层约100微米厚度的金属镍，金属反射镜的加工稳定性不如前面提到的熔石英和微晶玻璃，存在表面应力，所以通常不能加工到足够高的面形精度。当反射镜需要承受高辐射强度的照射时，会使用单晶硅或者碳化硅材料，这两种材料的稳定性和导热性都非常好。

在蔡司公司的半导体制造部，一个非球面反射镜采用的加工工序如下：

1、镜坯铣磨成型，得到反射镜的基本形状，配备超声波主轴的五轴数控研磨机可以获得较好的铣磨成型结果。

2、浸蚀，来去除表面应力和降低亚表面损伤；

3、精磨元件表面，这个阶段通常采用数控研磨头，目的是降低亚表面损伤，修正非球面参数（如R0，非球面系数、离轴量）等，此阶段采用精密的三坐标测量机（如Zeiss UPMC 850 Carat，测试分辨率200nm，精度0.5-1μm）来测试表面面形，测量结果给到数控机器人来做下一步的修磨，测量设备和加工设备如下图所示：

4、抛光，抛亮表面，调整表面参数，完全去除亚表面损伤；

5、精修，来改善表面面形误差；

6、超光滑，来获得最终的表面微观粗糙度。

从抛光阶段开始，非球面镜的加工流程如下图所示：

上图中，黄色菱形框中有M的字母，代表检测（Metrology）的工序，CMD是Coordinate Measuring Device的缩写，指的是三坐标测量机。CCP是Computer Controlled Polishing的缩写，表示数控小磨头抛光，IBF是Ion Beam Figuring的缩写，表示离子束修形，蔡司通常使用德国NTG的离子束设备来做修形。M400是蔡司自主研发的高精度三坐标测量机，目前没有对外销售，我们后面会提到它的精度，会远高于市面上看到的三坐标设备。IFM是Interferometer的缩写，表示干涉仪，用来测试元件的表面面形，μ-IFM表示显微干涉测量，用来测试元件表面毫米尺度的表面粗糙度，AFM是Atomic Force Microscope的缩写，表示原子力显微镜，用来测试元件表面的微米尺度的表面粗糙度。

从上图可以看出，非球面镜的抛光是一个要求很高的迭代过程。在抛光阶段，需要完全的去除前道留下的麻点和缺陷。在精修阶段，需要降低表面波纹度并逐步降低面形误差，这个阶段会用到不同形状和尺寸的抛光工具和多样的机床运动形式，来达成面形指标的实现。最后还要对做超光滑处理，来达到对波纹度和表面粗糙度的要求。

3 光学非球面反射镜的检测

在光学元件的制造过程中，高精度的检测是至关重要的，只有检测的准确，才能客观的评价元件的质量，并指导下一步的加工。在蔡司光学，有一套完整的评价体系来确保元件的高精度。我们在前面的文章中提到，功率谱密度曲线（PSD）可以系统的评价元件的表面形貌质量，因此，针对不同的空间频率，需要采用不同的检测设备来做测试，完整的检测方案如下图所示：

上图中的M400，我们在上一节提到过，是蔡司自主研制的一款超高精度三坐标测量机，它的测量范围为550×380mm，测量分辨率高达10nm，下图是工作人员用M400三坐标测量机来测试一个工件的照片：

蔡司还报道了用M400设备测量的一个柱面镜面形，与用干涉仪+柱面CGH测量相同柱面镜的面形结果对比，如下图所示，可以看到这个超高精度三坐标机与干涉仪的测试结果一致性非常的好，面形精度PV值在40nm以内，不得不说，工欲善其事，必先利其器啊。

关于面形测量干涉仪（Interferometer，IFM），蔡司使用自主研制的干涉仪，有报道的是D100型干涉仪，分辨率1nm以内，他们也会用到Zygo的6英寸干涉仪配合CGH来做柱面和非球面的测试。

在中频误差测试方面，蔡司采用Zygo生产的NewView 700型显微干涉仪，显微镜的放大倍率使用2.5倍（分辨率0.1nm以内，采样区域12μm~5.8mm）、10倍（分辨率0.1nm以内，采样区域2.8μm~1.4mm）和50倍（分辨率0.1nm以内，采样区域0.6μm~290μm），通过这几种放大倍率显微镜头的切换，来识别不同周期的中频误差。

在高频误差测试方面，蔡司采用原子力显微镜观测不同尺度范围内的粗糙度指标，来定量的评价表面光滑程度。蔡司报道了他们使用过的2种型号的原子力显微镜，一种是Nanosurf Nanite S200型，采样分辨率0.1nm以内，采用区域4nm~8μm，另一种是Digital Instruments生产的DI nanoscope D3100M型，采样分辨率也是0.1nm以内，采样区域4nm~10μm。

对镜片表面做多个空间频率下的探测，可以得到PSD曲线，借助PSD曲线，可以敏锐的发现，每道工序或者每种工具都会在表面留下它曾经工作过的痕迹，因此通过设计多种多样的抛光工具及其去除函数，就能有针对性的对表面做修形，从而收敛到最佳的指标范围内。不同工具的去除函数如下图所示：