起：
拆开一台光刻机，要经过哪些步骤？首先，把底下的精密气垫隔震平台移走，再把十几吨重的钢结构拿掉，你就会看见里面，有一个光源，一堆镜片和一个飘来飘去的平台，这就是光刻机中，最核心的三个部分，
光源及照明系统，负责发出均匀可调去相干的紫外线，照在光掩膜上；物镜及成像系统，负责把光掩膜上的图像，尽量无损地投射在硅片上；工件台移动及测控系统，负责对准调平，精密定位，接送硅片，猜猜看，这其中哪个部位最贵？最难制造？
光刻精度：
让我们看看光刻机里，有哪些零件和工作原理，为什么制造这么困难？因为没有厂家赞助我机器，所以我会用无实物拆解的方法，尽量用三期视频，把光刻机中，三个最核心的系统，给你们将明白，今天就让我们从最贵的一个开始：光刻机的成像镜头。
不要小看这堆镜片，它们能占整台机器总价的40%，为什么镜头怎么重要，因为光刻机简单来说，就是一台造芯片的巨型照相机，它通过曝光显影，把光掩膜上的集成电路图形，复制到涂抹了光刻胶的硅片上，一台好的光刻机，得刻出更精密的芯片，换成工程师的语言，指的是光刻机其中一个关键参数，分辨率（Resolution),这里的分辨率，不是指屏幕上的显示分辨率，而是指光学上的衍射极限分辨率.
简单说就是光刻机单次曝光刻出的最小尺寸，而再通俗点说，就是光这把刻刀，能做到多细，在芯片上刻出的最小线宽是90纳米，还是45纳米，所以光刻机的分辨率，要越小越好，因为它代表了光刻的精度，怎样缩小一台光刻机的分辨率呢？这里就必须要提到，从上世纪以来，主宰着光刻机发展的瑞利判据.
光刻机分辨率，或者说关键尺寸CD（Critical Dimension),等于光源的波长，比镜头的数值孔径，再乘以一个工艺因子，其中工艺因子指的是光刻机以外的环境因素和工程学技巧，比如温度湿度，是否使用相移光掩膜（Phase Shifting Mask),高灵敏度光刻胶（化学放大型）等等，而对于一台光刻机而言，要想它自身的精度更高，分辨率更小，就意味着要么缩小光源的波长，要么增大镜头的数值孔径。
光源的进化之路很清晰，早期的G线光刻机，使用高压汞灯作为光源，波长436纳米，对应最小分辨率，约500纳米，后来的DUV(深紫外）光刻机，光源改用氟化氪（KrF)准分子激光，波长248纳米，分辨率能降到180纳米，而到近年的EUV光刻机，则用上了波长只有13.5纳米的极紫外光，光源和照明系统我们以后再谈。
数值孔径：
今天要讲的光刻机镜头，决定着缩小分辨率的另一个参数，数值孔径（Numerical Aperture),简称NA。在光学上，一枚镜片的数值孔径，取决于它折射光的能力和介质的折射率，公式表达如下图
不过对于数值孔径而言，这里的角度指的是镜片的最大收光角度，角度越大，镜片的收光能力就越强，数值孔径就越大，如何增强透镜的收光能力呢？在不改变材料属性的前提下，要么增加直径，把透镜做大，要么增加曲率（即减小曲率半径），把透镜掰弯，
既然高精度光刻需要大的数值孔径，那我们造一块直径两米的大曲率透镜放在光刻机里，不就行了吗？很可惜，不行，因为还要解决单片球面镜的色差和像差问题，色差指的是不同颜色的光，在透镜中的折射程度不同，无法在同一距离汇聚成像，
而像差的种类就多了，比如球差（球面像差），指的是球面镜的边缘，和中心部分的折射能力不同，凸透镜边缘处的屈光幅度大，对应的焦距会缩短，成像距离前移；而凹透镜的情况就刚好相反，所以把两片合适的凹凸透镜（正负透镜）黏在一起，可以用来抵消单片镜的色差与球差，
这也正是1817年诞生的高斯型镜头的原理，没错，就是那位速算1+2+3一直加到100的天才小学生，在高数课本里经常出现的数学，物理兼天文学家的高斯，他在兼职哥廷根天文台长期间，顺手对望远镜做了一点点像差改良，但像差除了球差之外，还有场区，也就是像场弯曲，指的是球面镜的最佳成像面，不是一个平面，而是一个曲面，此外还有像散，畸变，彗差，以及各种高阶像差，都需要解决。
镜头结构:
人的眼球不就是个简单的球面镜吗？为啥我们看见的画面几乎没有像差呢？ 首先，晶状体非常智能，不光可以自动调焦，而且从中心到边缘处的折射率，会呈梯度下降，正好补偿了球差，其次，接受投影图像的视网膜，本身也是一个曲面，正好适应了场区，而最重要的是我们有一颗会修图的大脑，能自动给有缺陷的视觉信息做补偿。
而不会脑补的光刻机镜头，就只能靠镜片数量来修图了。比如前面提到的加入负透镜做补偿，其次就是加入非球面镜，但不规则镜面的制造难度大，成本高，所以更常用的方法，是拆分球面镜，比如把一片透镜，拆成曲率减半的两片，可以在保持数值孔径不变的前提下，将球差慧差以及像散，降至原来的1/4，如此通过不断增加镜片数量，分摊曲率，提升总体结构的对称性，就能不断减小镜头的光学误差.
于是从19世纪开始，随着相机技术的发展，镜头中的镜片数量，日益增加，从两片高斯型，3片柯克型，4片双高斯型，到6片普拉纳型，对于普通相机镜头而言，6枚镜片的结构已经很好了，你可以把自己手机上的镜头，拆下来看看（别），里面的镜片数一般就是5-6枚，但对于光刻机镜头来说，6枚还远远不够，
为了追上摩尔定律，满足纳米级的芯片制程，从上世纪80年代开始，光刻机镜头里的镜片数量，在双高斯结构的基础上，一路狂飙，目前主流光刻机中的成像镜头，通常有20枚以上的镜片，很多比你家的锅还要大，得装在一个直径一米，高一米多的镜筒里面，充气保护，总重量从几百公斤到一吨，比如某款193纳米的深紫外光刻机，它里面的镜头属于双远心设计的，工程学尤物。特点是上中下采用了三组，结构对称的正负透镜组，负责分摊球差，平衡转曲，抵消畸变，数一数，总共29枚镜片，这才基本上解决了纳米级光刻的像差问题.
镜片受热：
但用这么多镜片，有什么缺点吗？当然有，光在每次透射或反射时，都会损失一部分能量，镜头中的镜片数量越多，对光源的能量损耗就越大，尤其是极紫外光，非常容易被吸收，连空气都无法穿透，所以EUV光刻机的镜头更为特殊，必须使用全反射镜，且（物镜）镜片数量最多6-8枚，尽量降低总反射损耗，
EUV光刻以后会单独讲解，这里先不展开，回到以透镜为主的光刻机镜头里，光在每次投射或反射中，损失的能量不会消失，而是转化成了镜片的热量，这些热量又往往集中于相对较细的腰部，而这一部分的透镜组，主要负责平衡场曲和调节焦距，所以在芯片生产中，光刻机镜头受热，通常会导致曝光焦距和场曲的变化，影响光刻的良率，
因此为了确保镜头发热不影响生产，光刻机镜头还需要配备热效应仿真和实时校准功能，根据照明条件，曝光剂量，以及光掩膜的透光度，及时调整某些镜片的位置和形变，来进行校准和补偿。这就要求光刻机镜头中，要把某些镜片做成能沿轴向移动的可动部件，或者让某些镜片发生可控的物理形变，甚至在一些情况下，要通过红外线，主动加热特定的镜片，故意产生畸变，来补偿其他的成像误差，当然即使能矫正热效应对于光刻的影响，石英材质的镜片在生产中，也不宜长期过热，因为这会导致镜片密度变化，镜头过早老化，
所以光刻机中，还要有多种降温手段，比如在镜头内加气冷套装，在镜筒外加水冷套装，同时在芯片生产中，光掩膜的透光率要适当降低，如在掩模板设计中，添加一些冗余（Dummy）图形，以此来减少镜头的入光量，还有硅片上涂抹的光刻胶，也要尽量选择低放气型，防止胶体在曝光时，释放特殊气体，腐蚀最底层的镜片，这些都是为了保护光刻机中，最昂贵的镜头，降低维修频率，延长使用寿命。
制造难度：
目前能生产光刻机的主要厂商，是德国和日本的三家企业，蔡司，尼康和佳能，其中德国的蔡司主要和阿斯麦深度绑定，而日本的两家，本身就是做光刻机的，所以尼康佳能最好的镜头，都不在相机上，而是用在了自家的光刻机里，
光刻机镜头为什么这么难造呢？首先是因为镜头结构复杂，既要用大量镜片来解决像差，又要想方设法提高数值孔径，蔡司给DUV光刻机做的镜头，数值孔径能达到0.93，已经接近干法光刻的极限值1，这是因为空气的折射率，约等于1，而镜片的收光角理论上不超过90度。所以NA的上限就是1，
而要得到一个数值孔径大于1的镜头，只能通过掺水或者加油，这就是浸没式光刻机的原理，通过把镜片与硅片之间的介质，从空气换成超纯水，利用水的折射率大于空气，从而进一步提高系统的数值孔径，为了让光刻机的分辨率更小，数值孔径能不能无限提高呢？不能，因为数值孔径（NA）和景深（DoF）之间还存在矛盾.景深就是聚焦深度，指的是投射在硅片表面的图形，在保持清晰不失焦的情况下，能允许硅片垂直移动的距离范围，数值孔径做得太高，景深就会下降，而硅片表面是有高低起伏的，景深太小，会导致局部的曝光问题，
举这个例子是想说明，光刻机镜头的设计制造，是一个复杂的系统工程，需要多种学科的强强联合，包括光学，机械，材料，热仿真等等，其次，和所有高端制造业一样，光刻机镜头需要足够的人才储备和技术积累，三家老牌厂商的入场时间很早，在半导体业内的生态位非常牢固，新玩家想要绕过他们的技术壁垒和设计专利并不容易，而更难的地方，还在于工艺经验，机床设备和测量仪器这些最基础的东西.
还是以蔡司为例，他们为EUV光刻机做的镜片，表面起伏偏差能做到小于0.05纳米，0.05纳米你可能没什么概念，这比很多原子的直径都要小，假如把这枚镜片放大成海南岛那么大，对应地表的局部起伏，不超过1毫米，
而制造这种超级光滑的工业品，要经历切割，研磨，抛光，定心，清洗，胶合，抗反射层沉积等等工序，要求有及其精密的机床，磨床，以及各种化学机械研磨抛光的方法，而且即便能做出单枚镜片，还必须能精确的装配定心，任何一片存在水平误差或倾斜，会影响整套光学系统，
正因为光刻机镜头对生产装配和测量的精度要求都极高，所以擅长精密制造的德国和日本，占据了先发优势，相比之下国内光学镜头厂商起步较晚，技术积累尚浅，目前的应用主要集中在安防监控，车载摄像头，以及手机镜头等中低端领域，高端光学镜头与国外仍有较大差距，现在承担我国光刻机镜头主要研发任务的有长春光机所，北京国望光学等企业单位，16年长光所研制出的投影物镜，数值孔径0.75，成像性能基本达到国外同级别物镜的水平，他们还在进行浸没式以及EUV镜头的研发工作，希望能早日看到高端国产镜头的成功突破，也希望大家对国产光刻机多一些耐心，镜头只是其中一环.
阿斯麦最先进的光刻机，是集海外诸国行业翘楚的产物，如果拆开荷兰的机器，里面是德国的镜头，美国的光源，日本的材料，而中国想要补齐所有行业短板，实现光刻机甚至整个半导体行业的国产化，道阻且长，但这并不是一个坏消息，因为不具备完整产业链的其他国家，根本就不会有这个想法，所以既不能妄自菲薄，也不要妄自尊大，在科学与技术面前，唯有脚踏实地，实事求是。
结：
今天我们所讲的光刻机镜头，指的是投影成像镜头，光刻机中还有一套结构相对简单的照明镜头，它的功能和目的则完全不同，另外光刻机中，运载硅片的工件台，为什么能浮在空中高速移动，精准定位，还有日本光刻机双雄如何崛起，荷兰厂商又为何后来居上，以后的光刻机系列，我们再接着聊。
