超精密加工與納米

1、背景20世紀(jì)60年代為了適應(yīng)核能、大規(guī)模集成電路、激光和航天等尖端技術(shù)的需要而發(fā)展起來的精度極高的加工技術(shù)。超精密加工的精度比傳統(tǒng)的精密加工提高了一個以上的數(shù)量級。到20世紀(jì)80年代，加工尺寸精度可達(dá)10納米(110-8米)，表面粗糙度達(dá)1納米。超精密加工對工件材質(zhì)、加工設(shè)備、工具、測量和環(huán)境等條件都有特殊的要求，需要綜合應(yīng)用精密機(jī)械、精密測量、精密伺服系統(tǒng)、計算機(jī)控制以及其他先進(jìn)技術(shù)。工件材質(zhì)必須極為細(xì)致均勻，并經(jīng)適當(dāng)處理以消除內(nèi)部殘余應(yīng)力,保證高度的尺寸穩(wěn)定性,防止加工后發(fā)生變形。加工設(shè)備要有極高的運動精度，導(dǎo)軌直線性和主軸回轉(zhuǎn)精度要達(dá)到0.1微米級,微量進(jìn)給和定位精度要達(dá)到0.01微米級

2、。對環(huán)境條件要求嚴(yán)格，須保持恒溫、恒濕和空氣潔凈，并采取有效的防振措施。加工系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都應(yīng)控制在 0.1微米級或更小。這些條件是靠綜合應(yīng)用精密機(jī)械、精密測量、精密伺服系統(tǒng)和計算機(jī)控制等各種先進(jìn)技術(shù)獲得的。 。通常，按加工精度劃分，機(jī)械加工可分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。目前，精密加工是指加工精度為10.1m，表面粗糙度為Ra0.10.01m的加工技術(shù)，但這個界限是隨著加工技術(shù)的進(jìn)步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。發(fā)展歷史u20世紀(jì)50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。 20世紀(jì)50年代末，出于航天、國防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，

3、開發(fā)了金剛石刀具超精密切削單點金剛石切削技術(shù)，又稱為“微英寸技術(shù)”，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起，美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續(xù)推出各自的超精密金剛石車床，但其應(yīng)用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗研究，并以國防用途或科學(xué)研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復(fù)雜的工件，但只限于軸對稱形狀的工件例如非球面鏡等。u20世紀(jì)80年代至90年代為民間工業(yè)應(yīng)用初期。u在20世紀(jì)80年代，美國政府推動數(shù)家民間

4、公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司開始超精密加工設(shè)備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學(xué)等也陸續(xù)推出產(chǎn)品，這些設(shè)備開始面向一般民間工業(yè)光學(xué)組件商品的制造。但此時的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專用機(jī)的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外，可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術(shù)特點是使用高剛性機(jī)構(gòu)，以極小切深對脆性材料進(jìn)行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當(dāng)然，其加工效率和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性無法和金剛石車床相比。20世紀(jì)80年代后期，美國通過能源

5、部“激光核聚變項目”和陸、海、空三軍“先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)計劃”對超精密金剛石切削機(jī)床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實驗室研制出的大型光學(xué)金剛石車床成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺最大加工直徑為1625m的立式車床，定位精度可達(dá)28nm，借助在線誤差補(bǔ)償能力，可實現(xiàn)長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。u20世紀(jì)90年代至今為民間工業(yè)應(yīng)用成熟期。 從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機(jī)的需求急劇增加，在工業(yè)界的應(yīng)用包括非球面光學(xué)鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動器

6、磁頭、磁盤基板加工、半導(dǎo)體晶片切割等。在這一時期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導(dǎo)軌、油壓軸承導(dǎo)軌、摩擦驅(qū)動進(jìn)給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級水平，加工行程變得更大，加工應(yīng)用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對稱非球面的光學(xué)鏡片。發(fā)展趨勢l精密化 l智能化 l自動化 l高效化 l信息化 l柔性化 l集成化 超精密加工關(guān)鍵技術(shù)超精密加工關(guān)鍵技術(shù)超精密機(jī)床技術(shù)超精密機(jī)床技術(shù)對超精密機(jī)床的要求

7、：對超精密機(jī)床的要求：高精度：幾何精度、定位精度和重復(fù)定位精度、分辨高精度：幾何精度、定位精度和重復(fù)定位精度、分辨率。率。高剛度：靜剛度、動剛度、接觸剛度、工藝系統(tǒng)剛度高剛度：靜剛度、動剛度、接觸剛度、工藝系統(tǒng)剛度高穩(wěn)定性：長時間保持精度，抗干擾，工作穩(wěn)定。耐高穩(wěn)定性：長時間保持精度，抗干擾，工作穩(wěn)定。耐磨性、抗振性、無熱變形磨性、抗振性、無熱變形高自動化：高自動化：納米級精度的加工和納米級表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組是納米技術(shù)主要內(nèi)容之一。納米加工技術(shù)擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)技術(shù)步的重要使命。國防戰(zhàn)略發(fā)展的需要和納米級精度產(chǎn)品高利潤市場的吸引，促使了納米加工技術(shù)產(chǎn)生并迅速發(fā)展。例如，

8、現(xiàn)代武器慣導(dǎo)儀表的精密陀螺、激光核聚變反射鏡、大型天體望遠(yuǎn)鏡反射鏡和多面棱鏡、大規(guī)模集成電路硅片、計算機(jī)磁盤及復(fù)印機(jī)磁鼓等都需要進(jìn)行納米級加工。納米加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測量技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展。納米加工技術(shù)是一門新興的綜合性加工技術(shù)。它集成了現(xiàn)代機(jī)械學(xué)、光學(xué)、電子、計算機(jī)、測量及材料等先進(jìn)技術(shù)成就，使得加工的精度從20世紀(jì)60年代初的微米級提高到目前的10nm級，在短短幾十年內(nèi)使產(chǎn)品的加工精度提高了12個數(shù)量級，極大的改善了產(chǎn)品的性能和可靠性。目前，納米加工技術(shù)已成為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著各種新型功能陶瓷材料的不斷研制成功，以及用這些材料作為

9、關(guān)鍵元件的各類裝置的高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度達(dá)到納米級甚至更高，這些都有力地促進(jìn)了納米加工技術(shù)的進(jìn)步。近年來，納米技術(shù)的出現(xiàn)促使納米加工向其極限加工精度原子級加工進(jìn)行挑戰(zhàn)。什么是納米加工？納米級精度的加工和納米級表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組。是納米技術(shù)主要內(nèi)容之一。精度為3O3 m，粗糙度為O3O03m的叫精密加工； 精度為03003 m，粗糙度為0030005 m的叫超精密加工，或亞微米加工； 精度為003 m（30納米），粗糙度優(yōu)于0005 m以上的則稱為納米（nm）加工。納米加工的實質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實現(xiàn)原子或分子的去除，切斷原子間結(jié)合所需要的能量，必然

10、要求超過該物質(zhì)的原子間結(jié)合能。 納米加工技術(shù)簡介包括切削加工（精密切削等）、化學(xué)腐蝕（電化學(xué)等）、復(fù)合加工、掃描隧道顯微技術(shù)加工等多種方法納米加工分類納米技術(shù)包含下列四個主要方面： 1、納米材料 ；、納米動力學(xué)； 3、納米生物學(xué)和納米藥物學(xué) ；4、納米電子學(xué)。納米加工技術(shù)的內(nèi)容納米加工技術(shù)的應(yīng)用幾種新興的納米加工技術(shù)1利用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的納米加工技術(shù)2化學(xué)合成方法 化學(xué)合成方法是制備納米尺度電子學(xué)器件的另一種途徑用化學(xué)過程“自下而上”地把微觀體系的物質(zhì)單元組裝成納米器件。由于用納米探針進(jìn)行機(jī)械合成很難同時組裝數(shù)目巨大的納米結(jié)構(gòu)和器件，所以研究化學(xué)合成方法非常重要。3聚焦離子束技術(shù) 聚焦離子束(FIB)技術(shù)是在電場和磁場的作用下，將離子束聚焦到亞微米甚至納米量級，通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及加速系統(tǒng)控制離子束，實現(xiàn)微細(xì)圖形的檢測分析和納米結(jié)構(gòu)的無掩模加工。4準(zhǔn)分子激光直寫納米加工技術(shù) 準(zhǔn)分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直寫”特點、無環(huán)境污染以及對加工材料廣泛的適應(yīng)性，使其成為