科技觀點 / 精密製造

鏡子是怎麼磨出來的?ZEISS 的超精密拋光與離子束修形

從表面粗糙度與面形精度的差別,認識電腦控制拋光、離子束修形及反覆量測,圖解精密光學鏡面的製造思路。

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康丁斯基風格參考的精密鏡面與幾何粒子原創概念插畫

ARTIST REFERENCE / 畫家介紹

瓦西里・康丁斯基

Wassily Kandinsky

抽象幾何、色彩張力與音樂般的節奏

康丁斯基(1866–1944)出生於莫斯科,是現代抽象藝術的重要先驅與藝術理論家。他曾在德國、俄羅斯與法國生活,以色彩、線條及幾何形狀探索繪畫的精神性與節奏。

風格參考・原創概念圖,非畫家本人作品。生平來源

先弄清楚:這裡的「平整」是什麼?

看見一面反光清楚的鏡子,我們很容易覺得它已經夠平、夠光滑。但在精密光學裡,肉眼看到的亮面遠遠不夠:表面局部有沒有細小凹凸,與整個鏡面是否符合設計形狀,是兩個不同問題。

粗糙度描述特定量測尺度下的細小表面起伏;面形誤差則關注實際表面相對目標曲面的偏差。一面鏡子可以很光滑,卻有錯誤的曲率。EUV 使用曲面鏡,因此製造目標是精準呈現設計曲面。

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局部細小起伏與整體曲面偏差的對照
圖 1|表面粗糙度與面形誤差是不同尺度的問題,偏差已放大。 點圖可開啟完整尺寸。

閱讀精度數字時,也要看量測面積、空間尺度與統計方式。局部粗糙度的數字,不能直接代替整片鏡面的形狀精度;不同指標的數字並排,未必能比較誰更精密。

從研磨到鍍膜,是相互影響的製程

ZEISS 作者公開的 High-NA EUV 技術論文,將鏡面製造列為研磨、電腦控制拋光、離子束修形與鍍膜等主要步驟,並由清潔、鏡面量測和粗糙度量測支援。論文特別指出,這些步驟相互影響,會反覆進行。

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研磨先建立接近目標的幾何形狀,後續拋光改善表面,精密修形再處理殘餘偏差。每一階段都有自己的任務;把最後的精度歸功於單一加工步驟,會漏掉前後製程的配合。

以下會分別說明一般光學加工原理與 ZEISS 已公開的流程。同步輻射 X 光鏡面的資料可幫助理解方法,但其中的數值規格不能直接當成所有 EUV 鏡面的規格。

電腦控制拋光:依誤差分布安排加工

電腦控制拋光,英文為 Computer Controlled Polishing,簡稱 CCP。它的重點不是讓工具在每個位置做完全相同的動作,而是先量測表面,再根據局部偏差產生控制資料,安排需要的材料移除。

ZEISS 的同步輻射光學資料介紹了這種做法:量測結果送入修正流程,局部形狀偏差由受控加工逐步減少。最後能做到什麼程度,也受到曲率、曲率變化和量測能力影響。

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可以想像成先取得一張「偏差地圖」,再規劃工具如何走、在哪裡作用多久。不過,真實工具有一定作用範圍,還會影響鄰近位置,因此不是看到一個高點,就只對那個點做獨立修正。

離子束修形:讓粒子束移除極少量材料

離子束修形,英文為 Ion Beam Figuring,簡稱 IBF,是以有能量的離子撞擊表面,透過濺射移除材料的非接觸方法。它可用於拋光後的殘餘面形修正,沒有傳統工具直接壓在鏡面上的接觸作用。

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離子束照射鏡面,局部材料被濺射移除,掃描位置由規劃控制
圖 2|離子束修形的一般概念,非 ZEISS 專用設備配置。 點圖可開啟完整尺寸。

關鍵是控制移除量。工程師需要掌握離子束的材料移除分布,再結合偏差地圖計算掃描與停留時間。穩定條件下,在某區域停留較久通常會移除更多材料,但實際結果仍取決於束流、材料與加工條件。

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這種方法能進行極微量修正,但不代表機器會先看見每顆原子,再逐顆挑掉。更準確的理解,是把材料移除當成可量測、可建模的作用,再藉控制與迭代逐步接近目標。

真正難的是:每一次修正都要可信

離子束修形依然有工程限制。束流的移除特性需要穩定,掃描與定位要準確,熱效應也可能影響結果。若量測地圖或材料移除模型有偏差,精細的加工同樣可能修錯位置或移除過量。

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因此,量測不是製作完成後才做一次的驗收。ZEISS 的 High-NA 資料指出,鏡面在生產中需要多次高精度量測,並為此發展專用設備。加工能力與量測能力必須一起進步。

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量測偏差、規劃移除量、執行修正、清潔與穩定後再次量測的循環
圖 3|反覆修正的教學流程,實際步驟依材料、設備與結果安排。 點圖可開啟完整尺寸。

從流程設計的角度看,每一輪都在回答同一個問題:表面是否更接近目標?只有前後量測能在可信的條件下比較,才知道這次修正是否有效。

表面做好了,還要接上鍍膜與驗證

EUV 鏡面的反射功能還依賴多層膜。ZEISS 公開介紹了矽與鉬交替薄層,利用反射波的建設性干涉提高可用反射強度。因此,基材的面形與表面品質只是必要條件,還要配合鍍膜品質與光學性能驗證。

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也要區分兩個容易混淆的詞:本文的離子束修形是在移除材料;鍍膜則是在表面形成薄層。兩者可能都涉及粒子與真空製程,但在鏡面製作中承擔不同任務。

回頭看 ZEISS 的精密光學,最值得理解的不是「磨得多亮」,而是從設計曲面出發,以研磨、拋光、修形、量測與鍍膜共同達成要求。這套反覆校正的能力,才讓看似簡單的一面鏡子,能成為先進曝光系統的一部分。

公開資料與延伸閱讀

  1. ZEISS 作者技術論文:High-NA EUV lithography optics becomes reality(2020),圖 10 製程流程 ↗
  2. ZEISS:Mirrors for Synchrotron Radiation,拋光、修形與量測章節 ↗
  3. Diamond Light Source 研究團隊:Ion beam figuring for X-ray mirrors(2024) ↗
  4. Applied Optics:Dwell time algorithm in ion beam figuring(2009) ↗
  5. ZEISS:High-NA EUV 鏡面與量測技術 ↗
  6. ZEISS:EUV 光學與多層膜 ↗
  7. Guggenheim:Vasily Kandinsky ↗