光刻机是半导体芯片制造的核心设备。它是国产高端芯片制造中最关键的技术难题。 

光刻的过程相当于用相机将掩模版上极为精细的电路图案，通过控制光线的曝光印制到晶圆上。通过将不同掩模版上的芯片版图多次曝光，层层叠加，最终形成晶圆上的各种精细结构。刻有结构的晶圆经过切割、封装等，就是人们熟知的芯片。这个多次曝光、层层叠加过程叫做套刻。

           晶圆                                                                                                                             掩模版  

光刻时，掩模和晶圆一上一下，分别由两套控制系统操控，时刻保持高速、高精度同步移动。在一片12英寸的晶圆上刻蚀特征尺寸仅为几纳米的电路图形，只需12秒。这个过程堪比从一架正在高速飞行的飞机，在12秒内向下方一架同步飞行的飞机上面刻满米粒大小的字。

一、“小”“大”“准”“快”

你看出光刻的过程难在哪儿吗？它主要难在了“小”“大”“准”“快”四个字：

“小”是指特征尺寸小。光刻机的性能决定了芯片的制程工艺，也就是加工电路图形的最小尺寸。目前，芯片的量产制程工艺已经达到5纳米，并正向3纳米、甚至2纳米突破。纳米是一个长度单位。1纳米有多小呢？它大约相当于头发丝直径的五万分之一。 

“大”是指测量范围大。一片12英寸的晶圆直径为300毫米，测量范围须为大于9万平方毫米的方形区域（实际上为了同时满足更多的测量需要，光刻机对12英寸晶圆测量的区域面积为410毫米*410毫米=16.81万平方毫米），而在其上套刻出7纳米的电路图形，就类似于在一个标准足球场上找一根针。

“准”是指套刻精度高。芯片的光刻是一层层向上叠加套刻的，最多可达上百层，每次叠加都必须和前一次的位置完美重叠，套刻精度可高达1至2纳米。

“快”是指测量速度快。一片12英寸晶圆的光刻过程，需要在100多个不同的位置成像纳米级的电路图形，晶圆平台则需要以高达7g的加速度高速移动。这是一个什么概念呢？从静止加速到100km/h，F1赛车需要2.5秒，而晶圆平台只要0.4秒。

二、超精密位移测量系统

光刻机为什么能执行这些匪夷所思的加工任务呢？这是因为它背后的超精密位移测量系统发挥了举足轻重的作用。那这个“超精密位移测量系统”是什么呢？

超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，它直接决定了光刻机所能实现的关键尺寸、套刻精度和生产率。它同时具备了亚纳米级分辨率、米级量程、纳米级精度、每秒数米的测量速度，换句话说，就是刚才提到的“小、大、准、快”。它通过32路激光干涉仪，分别对每个平台的6个自由度（x、y、z、俯仰、旋转、倾斜）多轴运动进行实时的测量和反馈；

同时，高端光刻机采用双工件台系统循环工作，每片晶圆在光刻之前，先由一个工件台测量晶圆每一个区块纳米等级的微小误差，以在后续曝光阶段实时定位校正。

有了超精密位移测量系统的加持，光刻机才能实现那些神奇的功能。

三、精密测量——高端制造的“尺子”

以超精密位移测量系统为代表的现代精密测量技术是集光学、电子、图像、制造、传感器和计算机技术于一体的综合性交叉学科。目前，超精密位移测量的精度达到亚纳米甚至皮米量级，在大科学工程如引力波探测、系外生命探测、先进重力场测量等重大科学领域，以及在超精密加工如晶圆光刻机、精密数控机床等基础工业领域都有广泛应用。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。

精密测量是高端制造的“尺子”。“只有测量出来，才能制造出来”，人类工业制造的每一次迭代升级，都离不开测量技术的精进。当前，我国正在奋起直追，努力研制我们自己的高端光刻机。而我国精密测量领域的科研工作者将继续勇担重任，为中国制造备好“尺子”，为科技强国不懈奋斗！