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李星辉及其团队 | 探超精密之精微铸光刻机之慧眼

2026-03-19 10:10

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

光刻机，作为半导体产业“皇冠上的明珠”，是衡量一个国家高端制造能力的核心标志，其研发与制造水平直接决定着集成电路产业的发展高度。而超精密测量技术，作为光刻机核心部件工件台实现精准定位的“眼睛”，是我国光刻机国产化进程中亟待突破的关键“卡脖子”技术之一。

▲李星辉

近几年，清华大学深圳国际研究生院副教授李星辉团队的科研成果，频频出现在精密测量与精密制造领域的顶级期刊或新闻上——无论是实现三自由度亚纳米级位移测量的“零死区集成式外差光栅干涉仪”，还是在第二十九届全国发明展览会上斩获金奖的原子级精度多维光栅干涉仪；无论是将纳米级到毫米级结构集成于同一基底的“跨尺度混合光刻”技术，还是为大面积光栅制造开辟新路径的“周期相位同步锁定曝光拼接”……他们研究聚焦的方向，本质上就是为光刻机装上“一双能在高速运动中看清原子尺度偏差的眼睛”。

原子有多小？一根头发丝的直径，大约相当于50万个碳原子并排的宽度。通俗易懂地讲，如果把地球直径（约1.2万公里）作为一把尺子，李星辉团队研发的测量系统，能在这把尺子上分辨出一粒花生米的细微变动。这不是科幻，而是他们正在实现的精度。

听起来极为小众的技术，却是大国重器的关键一环。而李星辉，用十多年的时间，将自己的人生刻进了国家战略需求的坐标轴里。

缘起精密，择圳深耕——从求学探索到锚定核心赛道

对机械制造的兴趣，是李星辉踏入精密制造领域的最初契机。年少时，他便对汽车、拖拉机等交通工具的制造原理充满好奇，这种对机械的天然热爱，成为他专业选择的重要指引。2004年，李星辉考入武汉大学机械设计制造及自动化专业，开启了他在精密制造领域的求学之路。本科阶段的基础知识积累，为他搭建了机械制造的知识框架，而随着行业向精密化、智能化发展，他越发感受到这一领域的魅力与价值，也坚定了深耕其中的决心。

在求学之路上，李星辉始终围绕精密制造这一主线稳步前行，完成了从基础理论到高精尖领域的层层进阶。硕士阶段，他进入西安交通大学攻读机械工程专业，将研究方向转向机械电子工程，其间他通过学校的交换留学项目赴日本东京工业大学进行为期一年的联合培养。在精密工程研究所开展科研期间，他对精密工程产生了浓厚的兴趣。博士阶段，他再度远赴日本东北大学攻读纳米机械学专业，将研究视角进一步聚焦到精密制造的微观领域，向着更精细、更精准的方向探索。多年的求学经历，让他形成了从宏观到微观、从理论到应用的完整知识体系，也为后续的科研工作奠定了坚实的基础。

博士期间的访学经历，更是为李星辉的科研视野打开了新的窗口。他先后赴清华大学、韩国科学技术院访学，在清华接触并学习了光栅制造技术，在韩国科学技术院掌握了光学精密测量的核心方法，不仅拓展了自己的知识领域，更亲身感受了顶尖科研团队的研究氛围，这种沉浸式的学习体验，为他后续的科研工作注入了新的灵感与动力。

2014年，恰逢深圳市大力引进海外高层次人才，而深圳作为先进制造的示范城市，有着浓厚的产业氛围和旺盛的高端装备需求，与李星辉的研究方向高度契合。带着对祖国的热爱和对科研的追求，他扎根清华大学深圳国际研究生院，开启了科研之路。这一扎，就是十余年。

扎根深圳的科研之路，有成长，也有磨砺。2020年，恰逢清华大学人事制度改革落地，李星辉顺势转入教研序列的发展轨道，直面新的职业发展挑战。这份挑战也成为凝练研究方向的契机，在学校的全力支持下，他得以整合更优质的学术资源，将研究核心坚定锚定在面向光刻机需求的光栅尺技术领域，潜心深耕六自由度光栅干涉测量技术的攻坚之路，让所有研究方向紧紧围绕国家先进制造的核心需求稳步推进，在精密制造的赛道上，步履愈加坚定。

技破难题，芯向未来——六自由度测量技术的光刻机攻坚

光刻机的运行，是一个极其复杂的动态过程。

在光刻机的核心组成部分中，工件台承担着晶圆的承载与超精密定位任务，其定位精度直接决定着芯片的制造精度。

晶圆需要在光刻机内部高速移动、精确定位，运动速度可达每秒两米，运动范围可达半米见方，而定位精度却要求达到纳米级甚至原子级。这就像让一架超音速飞机在跑道上高速滑行，却要求它最终停稳时与目标位置的偏差不超过一根头发丝直径的万分之一。

更难的是，运动过程中难免存在各种误差——不仅有你想要的前后左右移动，还有你不想的上下颠簸、左右摇晃、前后倾斜。只有把这些误差运动全部测量出来，才能真正校正它们。

▲李星辉课题组合影（2025年年底）

这就是李星辉团队主攻的“六自由度光栅测量技术”。所谓六自由度，指的是物体在空间中围绕x、y、z三轴的移动和绕着这三根轴的转动，代表着空间全维度的精密测量。用李星辉的话说，“六自由度光栅测量技术”是一项能够“解锁空间全维度”的技术。它测量的就是物体在空间中6个方向的运动：前后、左右、上下、俯仰、偏摆、滚转。当这些维度全部被解耦、被测量、被校正，才能实现纳米级甚至原子级的超精密定位，光刻机精密运动的真正精度才能得以实现。换句话说，六自由度测量，就是给精密运动系统装上一双能看到“空间全维度”的眼睛，而“这双眼睛”的核心，就是光栅干涉测量技术。

事实上，李星辉对多自由度光栅测量技术的研究，早在2011年博士期间便已开始，十余年来，他见证和亲历了相关技术历经无数次实验与迭代，攻克了一个又一个世界级技术难题。

比如大面积光栅的加工难题。光栅是光栅干涉测量技术的核心元件，光刻机工件台的大行程运动，需要配套大尺寸的光栅，而500毫米级的大面积光栅加工，对加工工艺的要求达到了极致，是公认的世界级难题。李星辉团队反复摸索加工工艺，探索大面积加工的技术瓶颈，提出了多项适配光刻机工件台大面积光栅加工的新技术，为超精密测量中硬件基础提供了有益思路。

比如高速运动下的信号采集难题。2米/秒的高速运动，要求信号采集系统具备极高的响应速度，同时还要保证采集数据的准确性。李星辉团队通过研发高速信号采集技术，融合先进的算法处理方法，实现了高速运动下的精准信号采集，解决了高速度与高精度之间的矛盾。

再比如从“相对测量”走向“绝对测量”难题的攻克。李星辉介绍：“比如空间望远镜，它的主镜面太大，做不成一整块，需要许多小块拼接起来。但每个小块都有一个绝对的姿态和位置，如果跑了，你要把它调回去，就必须知道它原本的绝对位置在哪里。这就需要用绝对式测量。”

这个问题，在李星辉主持的一项名为“基于混合编码平面光栅的绝对式六自由度纳米/亚角秒测量机理与系统”的国家自然科学基金项目中得到了系统攻关。该研究早在2017年便已开始前期研发，历经6年的技术积累，终于迎来了规模化的研究支持。项目提出一种全新的技术路线：将平面二维光栅与绝对编码融合，通过多束衍射光的空间指向变化和干涉相位，锁定空间六自由度绝对位置。这相当于在光栅上嵌入一把“绝对坐标尺”，让测量系统不仅能知道“走了多少”，还能知道“在哪里”。这一技术不仅适配光刻机的需求，更能满足深空探测、高能激光物理、大科学装置等领域对超精密测量的需求，为我国大型光学构件的研发与制造提供了核心解决方案。在项目研发过程中，团队克服了经费有限、加工工艺限制、供应商体系缺失等诸多难题，自主研发核心加工工艺，遇河搭桥、逢山开路，让项目得以顺利推进，2026年结题时，会产出一系列具有自主知识产权的核心成果。

2025年年底，李星辉团队的多自由度光栅测量技术斩获第13届澳门国际创新发明展金奖，这一奖项不仅是对团队技术成果的高度认可，更彰显了我国在这一领域的研究实力。

如果说“绝对式六自由度测量”是李星辉团队多年积累的技术积淀，那么他的下一站，是“原子精度”。

2026年开年，李星辉和团队一项新的国家自然科学基金面上项目“面向极紫外光刻机的原子精度六自由度光栅测量关键技术研究”面临启动。

极紫外光刻（EUV）是目前全球最先进的光刻技术，用于生产7纳米及以下制程的芯片。它的工作原理是用极短波长的光照射晶圆，在硅片上刻出极其精密的电路。在这个过程中，工件台的定位精度直接决定了芯片的良率和性能。

李星辉团队的新项目就是为极紫外光刻机开发一套具有“原子级精度”的六自由度测量系统，这是他们在纳米精度测量基础上的又一次探索。项目提出的科学目标，是突破“大行程多维光栅测量原子级精度机理”和“多维原子级精度测试、校准与全局误差分析”这两个关键科学问题，最终建立一套原子精度六自由度外差光栅测量的建模方法与制造工艺。为更好实现目标，团队提出了“外差六自由度光栅测头+合成孔径光栅”的创新技术路线，方案包含多项自主研发的创新：双频激光光源系统、零死区的光学系统设计、人工智能算法的融合等。项目的实施，将为我国极紫外光刻机的国产化奠定核心技术基础，推动我国集成电路制造技术向世界先进水平迈进。

值得一提的是李星辉团队的科研探索，既有前沿技术的突破，也注重技术落地的价值闭环。在前沿端，团队在《极端制造》发表的分焦面超像素阵列光刻研究突破了传统超像素制备的技术限制，大幅提高了生产效率与参数可控性，为中红外偏振成像系统提供了新的解决方案，让光刻技术的应用边界向更广阔的领域延伸；在产业端，广东省重点项目——“四读数头四光栅”技术研究，虽经费规模不大，却在全省芯片制造赛道上赢得了广泛认可，成为技术从实验室走向产业的重要桥梁，也为后续与众多头部企业的合作铺平了道路……

在李星辉看来，光刻机的研发不仅是解决“卡脖子”问题的关键，更是推动我国超精密工程技术整体提升的重要契机。而他和团队核心目标清晰且笃定——聚焦于光刻机工件台的超精密定位环节，致力于实现这一核心技术的自主可控，为我国光刻机国产化开发扫清关键技术障碍，让国内的光刻机研发团队能够在自主技术的基础上稳步前行。

聚智筑队，融研于产——打造精密制造的科研与产业闭环

科研的突破，从来不是一个人的孤军奋战，而是一个团队的协同攻坚。在十余年的科研生涯中，李星辉始终坚信：要想在光刻机这一“卡脖子”领域啃下硬骨头，必须打造一支既能仰望星空、又能脚踏实地的科研队伍。

▲李星辉（左四）与课题组学生参加国际学术会议

随着研究的逐步推进与平台的持续搭建，李星辉所在的团队形成了三大研究方向与技术平台，布局涵盖纳米光栅干涉测量、先进光栅与光刻制造等多个前沿领域。但研究越深入，李星辉越意识到，科研的核心不在于“大”，而在于做强、做精、做深，在一个细分领域内做到世界领先。基于这一理念，团队主动将资源和精力都聚焦在光刻机多自由度光栅干涉测量这一核心领域，让团队的研究方向更加精准，攻坚能力也更加强大。这一选择意味着有所放弃，但李星辉非常笃定，真正有价值的研究往往需要长期主义的坚守。正如他常对学生说的：“攻克‘卡脖子’技术，得坐得住冷板凳。”

如今，这支队伍已发展至约五十人的规模，形成了完整科研梯队。这是一支典型的理工交叉团队：机械、自动化、电气、测控等工科专业的科研人员，与数学、物理等理科背景的研究者并肩作战。学科的碰撞与融合，为技术突破提供了多元的思维视角。而在研究内容上，团队实现了从技术突破到器件开发、再到系统集成的全链条贯通——不仅能攻克核心难题，还能将技术转化为工程样机，让科研成果不再停留在实验室阶段，为产业应用奠定坚实基础。

团队的发展并非一帆风顺。科研经费的波动、学生对热点选题的偏好，都是李星辉需要面对的挑战。但他始终坚守在光刻机研究赛道，向学生讲明这项研究的国家战略价值，让团队中的每一个人都明白：有些路看起来窄，走下去却可能越走越宽。正是这份坚守，让团队在光刻机超精密测量领域形成了核心优势，在国内拥有了较高的知名度，也吸引了更多志同道合的科研人才加入，形成了师生同心、攻坚克难的良好氛围。

在人才培养上，李星辉有着自己的标准。他常说，做超精密测量研究，首先要“眼里有光”——科研兴趣是核心驱动力，只有真正热爱，才能在枯燥的实验中保持热情，在细微处捕捉创新的灵感。再就是要“沉得下心”——这项研究有很多硬骨头要啃，需要学生泡在实验室里反复操作实验，调设备，没有踏实肯干的精神，很难走远。他还格外看重学生的数理基础和跨学科能力，“因为精密测量走到深处，拼的往往是物理直觉和数学功底”。在学生眼中，李星辉是一位“勤奋、有亲和力、负责任”的老师。这份印象，来自一日复一日的相处——他办公室的灯常亮到深夜，学生随时可以敲门进来讨论问题；组会上，他希望一针见血地点出关键，却从不以批评的方式打击年轻人的信心；实验遇到瓶颈时，他会挽起袖子和学生一起调设备……这种影响，也延续到学生离开实验室之后。他培养的硕士和博士，大多进入工程物理研究院、华为、比亚迪等以先进制造和精密工程为核心竞争力的龙头企业，成为产业发展的新生力量。

李星辉的团队保持着一种独特的研究节奏：从技术突破，到器件开发，再到系统集成，整个链条都是贯通的。团队研究方向偏硬件，要做工程样机。这种“贯通”的模式，正是为了解决科研成果产业化过程中的一个普遍难题——高校有“技术”，企业要“产品”，中间有鸿沟。面对鸿沟，李星辉团队的解法是：往前走一步。“我们往工程样机方向走了一步。企业那边也会配一个技术团队，不是直接拿来就用的那种，而是前期就介入，和我们一起消化技术。双方密集沟通，每周都有例会，逐步融为一体。验收方式、使用场景的调整，都能及时反馈。”这种紧密的合作模式，让科研成果成功走出实验室，落地到产业场景中——既为多家头部企业解决了精密测量难题，也让技术在应用中不断验证、迭代，反哺基础研究，形成了“基础研究—技术开发—产业应用”的良性闭环。

对产学研深度融合的重视和实践，也让李星辉本人被推荐为深圳市产教融合促进会副会长。虽然身兼科研、教学、社会服务等多重工作让他很忙，但他选择坚持，“总需要有人去做这些工作。我感兴趣，也有相关经历，那就优化好时间，贡献一些力量”。而他优化时间的秘诀是“凡事预则立”——周中，他将大部分时间投入科研和学生培养，与团队探讨技术难题、指导学生实验；周末，则集中处理学会工作、产教融合事务。“天道酬勤”一直是李星辉信奉的科研道理，“没有捷径可走，唯有一步一个脚印，才能抵达极致的精准”。而他，也愿意和一群“眼里有光的人们”，向着更小尺度、更高精度的道路开拓。

站在“十五五”开局之年，李星辉对团队的未来有着清晰的规划：继续聚焦光刻机“卡脖子”技术，将研究领域拓展至AI芯片先进封装等集成电路制造装备方向；同时，进一步深化产业融合，推动原子精度六自由度光栅测量的产业化落地。他希望，锚定国家制造之需，以微米之微、纳米之精，在超精密测量的赛道上步履不停，让更多自主核心技术，成为中国高端制造的坚实底气。

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