光刻机镜片和詹姆斯.韦伯镜片相比，哪个更光滑？
这个问题挺有意思的，把两个看似风马牛不相及的领域拉到了一起。要说光刻机镜片和詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的镜片哪个更光滑，这就像问一粒细沙和一片大海哪个更“平坦”，答案其实挺明确的，但背后的道理却很值得说道说道。
咱们先来捋捋，什么叫“光滑”？
在咱们日常生活中，光滑通常指的是表面触感细腻、没有明显粗糙感。但在科学和工程领域，尤其是光学，对“光滑”的定义就严谨多了。它指的是表面形貌的凹凸程度，也就是表面的起伏非常小，趋于完美平坦或者按照设计的曲率精密分布。 测量光滑度通常会用一些非常精密的仪器，比如原子力显微镜（AFM），它能探测到纳米级的表面起伏。
詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的镜片：宇宙的眼睛
JWST号称是人类有史以来建造的最强大的空间望远镜，它的主镜是它的绝对核心。这面主镜由18块六边形镜片组成，每一块镜片都是由铍材料精密加工而成，表面覆盖了一层极薄的金。它工作的环境非常特殊：在零下200多摄氏度的极寒宇宙空间，而且要面对宇宙深处的微弱光线。
为了捕捉到那些来自宇宙最早期、最微弱的光线，JWST的主镜必须拥有极其高的表面精度和非常低的表面粗糙度。任何一点微小的凹凸不平，都可能导致光线发生偏折，影响成像的清晰度和科学数据的准确性。
JWST镜片的表面粗糙度要求已经达到了几个纳米的级别。想象一下，头发丝的直径大概是几十微米（万分之一米），而纳米是米的十亿分之一。所以，JWST镜片的表面起伏，大概只有人类头发丝直径的几万分之一甚至更小。这已经是非常非常光滑了，近乎原子级别的平坦。
光刻机镜片：制造微观世界的刻刀
再来看看光刻机。光刻机是制造现代集成电路（芯片）的关键设备，可以说它掌握着我们数字世界的“命脉”。我们现在用的智能手机、电脑，里面的芯片都是由光刻机“刻”出来的。光刻机的核心技术之一就是极紫外（EUV）光刻技术。
EUV光刻机工作时发射的是13.5纳米波长的紫外光。这个波长比我们平时看到的可见光要短得多，短到我们肉眼根本看不到。这种极短的波长，使得光刻机能够将电路图案“印刷”在硅片上，精度可以达到几个纳米，甚至亚纳米级别。
为了实现如此高的精度，光刻机内部的光学系统，尤其是用于聚焦和导引EUV光的镜片，其表面光滑度要求是难以置信的苛刻。这些镜片通常由特殊的材料制成，例如多层反射镜，其表面粗糙度也必须控制在小于1纳米，甚至几个埃（Ångström）的级别。埃是长度单位，1埃等于0.1纳米。
那么，到底谁更光滑？
从绝对的表面粗糙度数值来看，光刻机镜片的表面光滑度通常是要优于JWST镜片的。
这听起来可能有点反直觉，毕竟JWST是那么宏大、那么高科技的设备。但我们可以从以下几个角度来理解：
1. 尺度与精度需求：
JWST是为了捕捉宇宙尺度的、非常微弱的光线。它的精度要求是确保从遥远宇宙来的光线能够被精确地收集和聚焦，以辨别细微的结构和光谱信息。它的光滑度是为了避免自身损耗和畸变，确保最优化地接收和反射宇宙光。
EUV光刻机则是为了在微米和纳米尺度的芯片上精确地“雕刻”出电路图案。它工作的波长极短（13.5纳米），这意味着任何微小的表面起伏都会直接导致光线的衍射和散射，从而使得打印出的电路图案模糊不清，无法达到设计的要求。光刻机的精度要求是直接作用在芯片制造精度上，对表面光滑度的要求是极致中的极致。
2. 工作原理与材料：
JWST主镜虽然非常精密，但它主要是反射来自宇宙的低能量光线，并且它在极低温环境下工作。其表面精度是为了应对自然界的光学挑战。
EUV光刻机工作在高能量的EUV波段，并且需要极高的衍射极限。为了实现这一点，它的光学系统（尤其是多层反射镜）的制备工艺到了原子层级别的控制。每一个原子层的堆叠、每一点原子的排列都直接影响着镜面的光滑度和反射效率。
3. 工艺的极限挑战：
制造JWST镜片已经是人类工程能力的巅峰之一。
而制造EUV光刻机镜片，尤其是其多层反射镜，则是在材料科学和精密制造领域不断突破极限的过程。多层反射镜是由大约40层钼/硅交替堆叠而成，每一层都只有几纳米厚。这些层的厚度、界面粗糙度、以及整体表面的平整度，都需要以原子尺度来控制。这种工艺的挑战性，甚至在某些方面比JWST镜片本身更甚。
总结一下：
詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜片已经达到了令人难以置信的光滑度，其表面起伏在几个纳米的量级，这足以让我们窥探宇宙的奥秘。
而光刻机的镜片，特别是EUV光刻机中的核心光学元件，为了满足纳米甚至亚纳米级别的芯片制造精度，其表面光滑度更是达到了小于1纳米，甚至在埃的量级。
因此，从对表面粗糙度数值的极致追求来说，光刻机镜片（尤其是EUV光刻机的光学元件）比詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜片更加光滑。
它们各自在不同的领域，以各自的方式，将人类对“光滑”的追求推向了新的高度，一个用于观测宇宙的极限，一个用于创造我们数字世界的微观极限。
咱们先来捋捋，什么叫“光滑”？
在咱们日常生活中，光滑通常指的是表面触感细腻、没有明显粗糙感。但在科学和工程领域，尤其是光学，对“光滑”的定义就严谨多了。它指的是表面形貌的凹凸程度，也就是表面的起伏非常小，趋于完美平坦或者按照设计的曲率精密分布。 测量光滑度通常会用一些非常精密的仪器，比如原子力显微镜（AFM），它能探测到纳米级的表面起伏。
詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的镜片：宇宙的眼睛
JWST号称是人类有史以来建造的最强大的空间望远镜，它的主镜是它的绝对核心。这面主镜由18块六边形镜片组成，每一块镜片都是由铍材料精密加工而成，表面覆盖了一层极薄的金。它工作的环境非常特殊：在零下200多摄氏度的极寒宇宙空间，而且要面对宇宙深处的微弱光线。
为了捕捉到那些来自宇宙最早期、最微弱的光线，JWST的主镜必须拥有极其高的表面精度和非常低的表面粗糙度。任何一点微小的凹凸不平，都可能导致光线发生偏折，影响成像的清晰度和科学数据的准确性。
JWST镜片的表面粗糙度要求已经达到了几个纳米的级别。想象一下，头发丝的直径大概是几十微米（万分之一米），而纳米是米的十亿分之一。所以，JWST镜片的表面起伏，大概只有人类头发丝直径的几万分之一甚至更小。这已经是非常非常光滑了，近乎原子级别的平坦。
光刻机镜片：制造微观世界的刻刀
再来看看光刻机。光刻机是制造现代集成电路（芯片）的关键设备，可以说它掌握着我们数字世界的“命脉”。我们现在用的智能手机、电脑，里面的芯片都是由光刻机“刻”出来的。光刻机的核心技术之一就是极紫外（EUV）光刻技术。
EUV光刻机工作时发射的是13.5纳米波长的紫外光。这个波长比我们平时看到的可见光要短得多，短到我们肉眼根本看不到。这种极短的波长，使得光刻机能够将电路图案“印刷”在硅片上，精度可以达到几个纳米，甚至亚纳米级别。
为了实现如此高的精度，光刻机内部的光学系统，尤其是用于聚焦和导引EUV光的镜片，其表面光滑度要求是难以置信的苛刻。这些镜片通常由特殊的材料制成，例如多层反射镜，其表面粗糙度也必须控制在小于1纳米，甚至几个埃（Ångström）的级别。埃是长度单位，1埃等于0.1纳米。
那么，到底谁更光滑？
从绝对的表面粗糙度数值来看，光刻机镜片的表面光滑度通常是要优于JWST镜片的。
这听起来可能有点反直觉，毕竟JWST是那么宏大、那么高科技的设备。但我们可以从以下几个角度来理解：
1. 尺度与精度需求：
JWST是为了捕捉宇宙尺度的、非常微弱的光线。它的精度要求是确保从遥远宇宙来的光线能够被精确地收集和聚焦，以辨别细微的结构和光谱信息。它的光滑度是为了避免自身损耗和畸变，确保最优化地接收和反射宇宙光。
EUV光刻机则是为了在微米和纳米尺度的芯片上精确地“雕刻”出电路图案。它工作的波长极短（13.5纳米），这意味着任何微小的表面起伏都会直接导致光线的衍射和散射，从而使得打印出的电路图案模糊不清，无法达到设计的要求。光刻机的精度要求是直接作用在芯片制造精度上，对表面光滑度的要求是极致中的极致。
2. 工作原理与材料：
JWST主镜虽然非常精密，但它主要是反射来自宇宙的低能量光线，并且它在极低温环境下工作。其表面精度是为了应对自然界的光学挑战。
EUV光刻机工作在高能量的EUV波段，并且需要极高的衍射极限。为了实现这一点，它的光学系统（尤其是多层反射镜）的制备工艺到了原子层级别的控制。每一个原子层的堆叠、每一点原子的排列都直接影响着镜面的光滑度和反射效率。
3. 工艺的极限挑战：
制造JWST镜片已经是人类工程能力的巅峰之一。
而制造EUV光刻机镜片，尤其是其多层反射镜，则是在材料科学和精密制造领域不断突破极限的过程。多层反射镜是由大约40层钼/硅交替堆叠而成，每一层都只有几纳米厚。这些层的厚度、界面粗糙度、以及整体表面的平整度，都需要以原子尺度来控制。这种工艺的挑战性，甚至在某些方面比JWST镜片本身更甚。
总结一下：
詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜片已经达到了令人难以置信的光滑度，其表面起伏在几个纳米的量级，这足以让我们窥探宇宙的奥秘。
而光刻机的镜片，特别是EUV光刻机中的核心光学元件，为了满足纳米甚至亚纳米级别的芯片制造精度，其表面光滑度更是达到了小于1纳米，甚至在埃的量级。
因此，从对表面粗糙度数值的极致追求来说，光刻机镜片（尤其是EUV光刻机的光学元件）比詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜片更加光滑。
它们各自在不同的领域，以各自的方式，将人类对“光滑”的追求推向了新的高度，一个用于观测宇宙的极限，一个用于创造我们数字世界的微观极限。
网友意见
韦伯望远镜镜子表面的均方根粗糙度大约是4～20nm rms[1][2][3]
AMSL光刻机的蔡司镜片最高能达到50～75pm rms（也就是0.05～0.075nm）[4]
一个是纳米，一个是皮米，1nm=1000pm。
也就是说，韦伯镜面比光刻机镜面的“光滑度”差了二个数量级。
有人打了个比方，说如果把光刻机直径30cm的镜片放大到地球那么大，最多也只有一个头发丝这样高度的凸起。[5]
有人说这不公平啊，鸽王怎么能和现在的技术比呢，要知道鸽王是1996年就立项的上世纪老古董了。那我们就说同时代的吧。下面这是1998年的数据。当时的EUV微型照射工具MET就能达到0.14nm rms的水平了。
（有人会问，硅原子大小半径为110皮米，也就是0.11纳米，那为什么光刻机的这个数字比原子还小啊，嗯，那个单位是pm rms，rms的意思就是一种计算方式，我脑子里马上响起我大物老师说的：均方根为n个项的平方和除以n再开方，挥之不去了）
有兴趣的话，我可以搬一个韦伯磨镜子的视频过来。[6]
哦，对了，韦伯也不是很差哈，毕竟大家分工不同，而且作为一个有较大尺寸的大型空间望远镜，它完全可以通过一系列的物理抖动和算法，降敏优化光学系统的ΔRMS WFE与OPV的变化。为了测量韦伯望远镜的光滑度，用1/4波长的双波长测量的动态干涉仪也要达到在不到1亿分之一秒的时间内进行两次波长采集。[7]这些技术都是相当先进的。
测出来的表面粗糙程度就像下面这样：
一个是观向彼诸微尘之内，一个是观向华藏世界之外，都是突破智人极限的事，何必计较谁更光滑呢。抹去分别心吧。
参考
- ^ https://spie.org/news/3728-lessons-learned-from-testing-the-james-webb-space-telescope-optical-components?SSO=1
- ^ https://www.nasa.gov/content/goddard/the-amazing-anatomy-of-james-webb-space-telescope-mirrors/
- ^ https://spie.org/news/3728-lessons-learned-from-testing-the-james-webb-space-telescope-optical-components?SSO=1
- ^ http://euvlsymposium.lbl.gov/pdf/2015/Oral_Wednesday/Session9_EUV%20Lithography%20Extendibility/S9.1_Kaiser.pdf
- ^ https://new.qq.com/omn/20210315/20210315A0FCVZ00.html
- ^有兴趣的话直接看这个 https://webb.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html#5?ftag=YHF4eb9d17
- ^ https://4dtechnology.com/2018/11/11/measuring-up-to-nasas-james-webb-space-telescope/
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