五、精密和超精密加工技術的發展

    精密和超精密加工技術的發展，直接影響尖端技術和國防工業的發展。世界各國在這方面都極為重視，投入很大力量進行開發研究, 同時技術保密，控制出口。由于光學（含激光）技術的迅速發展和多領域的廣泛應用，各種高精度光學平面和曲面的加工成為迫切任務，國外發展了多種超精密車削，磨削、拋光等加工精密光學平面和曲面的機床設備。

    5.1超精密機床的發展

    發展超精密機床是發展超精密加工的重要內容。各發達國家都發展了多種超精密機床。超精密機床的發展方向：進一步提高超棈密機床的精度，發展大型超精密機床，發展多功能和高效專用超精密機床。
    美國除了大家已知的加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床和加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床等兩臺大型超精金剛石車床外，又研制了大型6軸數控精密研磨機，用于加工大型光學反射鏡。不久前美國在南卡里羅那州又加工出直徑8.4m的大型光學反射鏡。此大型光學反射鏡, 采用現場光學玻璃熔化鑄造，不制造大型研磨拋光機床, 而在現場進行在線精度檢測, 根據測得的幾何形狀誤差，進行局部研磨拋光，而制成此大型高精度光學反射鏡。
    英國制成OAGM2500 (2500mm×2500mm)多功能三坐標聯動數控磨床,可加工和測量精密自由曲面，并且用此機床采用加工件拼合方法，加工成天文望遠鏡中的直徑7.5m的大型反射鏡。
    過去相當長時期, 由于進口受到限制，我們不能購進國外的超精密機床，但在1998年我國數控超精密機床研制成功后，馬上對我國開禁，現在已經進口了多臺超精密機床。
    我國北京機床研究所、航空精密機械研究所，哈爾濱工業大學等單位，現在已能生產若干種數控超精密金剛石機床。圖8a所示是北京機床研究所制成的加工直徑800mm的超精密車床，圖8b所示是哈爾濱工業大學研制的超精密車床，機床有兩坐標精密數控系統和激光在線測量系統。但必須承認，這方面的技術，和國外相比還有很大差距，國產超精密機床的質量亟待提高。現在我國正在研制加工直徑1m以上的立式超精密機床和加工KDP晶體大平面的超精密銑床等。

圖8 國產數控金剛石超精密車床

    5.2非球曲面精密磨削研磨技術的發展

    日本以超精密車床為基礎，結合ELID鏡面磨削技術,發展了加工回轉體非球曲面的ELID精密鏡面磨床(見圖9); 后來又發展了三坐標聯動數控ELID精密鏡面磨床, 可加工精密自由曲面，達到鏡面。
高精度自由曲面現在應用日廣，國外已有多種帶在線測量系統的多坐標數控研磨拋光機，我國應盡快研制開發這方面的產品。曲面的精密研磨拋光國外最近發展了兩種新加工方法，第一種是用磁流體進行拋光，第二種用氣囊進行拋光。
    磁流體拋光的原理是用永久磁鐵或電磁鐵工具, 將混有磨料的磁流體吸附在工具上面，對工件表面進行拋光。由于磁流體外形可以隨工件外形而自動變化，因此對磁鐵工具外形無嚴格要求，很容易加工制造�？梢杂闷矫婀ぞ呶�附磁流體進行拋光。也可用桿狀工具，一端吸附磁流體，代替立銑刀在多軸數控聯動機床上，對自由曲面進行拋光。磁流體拋光可使加工表面達到很高的質量。

    不久前英國Zeeko公司研制成功加工精密曲面的氣囊拋光新工藝方法。圖10a所示是這Zeeko氣囊拋光曲面方法的工作原理。拋光工具是外面包有磨料薄膜層的膠皮氣囊，拋光工具結構如圖10b所示。拋光工作時, 工具氣囊旋轉形成拋光運動，工件對氣囊拋光工具作相對的進給運動, (一般是工件作三軸聯動的進給運動)，使工件的全部表面都被能拋光加工。拋光工作時, 工具氣囊還同時作擺動(擺動中心為汽囊曲面的曲率中心)，使磨料薄膜層均勻磨損。由于工具氣囊具有彈性，可以自動適應工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光不同外形的曲面。這新的曲面拋光方法可以獲得質量甚高的拋光表面。

    5.3超大規模集成電路制造技術的進展

    過去30年集成電路獲得飛躍發展的發展，現以全球最大的芯片制造商英特爾公司(Intel)的計算機芯片為例說明集成電路的發展。
    英特爾公司自1971年開始生產計算機芯片以來，已更新換代十多次。芯片的性能和集成度,在這一次次的更新換代中, 得到大幅度提高。1971年英特爾公司的4004芯片，時鐘速度僅為108 kHz，內含晶體管2300個，最小線寬為10 μm ；1999年英特公司的Pentium III 芯片（奔騰III芯片），時鐘速度已經高達1 GHz，在面積為217 mm2的芯片內, 有晶體管2800萬個，最小線寬為0.18 μm。最近2001年3月英特爾公司推出的Pentium 4電腦的時鐘速度高達1.7 GHz，最小線寬0.13 μm,在面積為116 mm2的芯片內,晶體管數超過4200萬個。計劃十年內時鐘速度達到10 GHz，30年來計算機芯片速度和集成度提高了13000倍，線寬從1971年的10 μm縮小到0.13 μm。最近新的芯片時鐘速度已高達2.8 GHz。
    現在制造集成電路的光刻技術使用的光波是深紫外光(光波長為0.24 μm)，已達到的最小線寬為0.13 μm。從理論分析這光刻加工技術的極限為0.1 μm。光刻中最小的光刻線寬和光波的波長有關，光刻時的光班直徑等于半波長。國外正在研究進一步縮小芯片上電子元件的尺寸和光刻的線寬，這只有使用更短波長的超紫外光曝光光源。這使用超紫外光的光刻方法，將有可能使光刻的線寬達到70 nm以下。但是超紫外光會被空氣吸收, 因此，光刻需在真空中進行，這對大規模工業生產將增添困難。國外現在制造超大規模集成電路用10″- 12″晶片，制造時已用數字控制柔性生產線加工，因此，新集成電路塊能很快試制出來，并且批量不很大的集成電路也能接受生產，價格也不貴。
    我國微電子工業近年獲得飛躍發展，我國現在制造大規模集成電路的水平是：已能用8″硅晶片制造大規模集成電路，光刻能達到的最小線寬為0.18μm。我們正在努力研究發展10″～12″晶片、線寬0.13～0.1μm的大規模集成電路制造，希望能盡快趕上世界先進水平。

六、機械制造自動化技術的發展

    從計算出現以后，機械制造自動化的發展是柔性自動化的發展過程：從數控機床→加工中心→柔性加工單元→柔性制造系統。同時機械設計、工藝規程編制、車間調度、車間和工廠管理，成本核算等也都用計算機管理，這樣就出現了CAD/CAM一體化，并在20世紀80年代提出了全部工廠生產管理都由計算機控制管理，達到全盤自動化的CIMS設想，認為這是機械制造業的今后發展方向。
但實際推廣CIMS技術卻是到處碰壁，這是因為一個機械制造企業要全部由計算機控制管理，不僅技術難度極大，需要極大的投資，而且企業全部由計算機控制管理，根本無法適應機械制造技術的快速發展和機電產品的多變和快速更新。
    計算機技術的發展，提出了計算機仿真和虛擬制造，包含在計算機上進行加工過程碰撞仿真、加工精度仿真、調度仿真、制造過程仿真(虛擬制造)、裝配過程仿真(虛擬裝配)。對機械制造業中的設計、制造、調度管理都有極大幫助。后來又提出并行工程，使機械制造中原來需要先后順序進行的工作，攺成并行或部分并行的工作，大大縮短了生產周期。
    20世紀90年代隨因特網的出現應用，提出了敏捷制造(或網絡制造)的新制造模式。應用因特網，可使不同地區的單位間，實現快速大信息量的傳輸交流，使機械制造業可以將不同地區的工廠、設計單位和研究所通過因特網組合在一起，分工協作，、發揮各單位特長，共同開發、研制并生產某大型新產品。因系多單位協作，發揮各自特長，并行作業，故可快速、優質、低成本地進行大型新產品研制與生產，這就是敏捷制造(或網絡制造)的概念。敏捷制造是多單位的協作生產(有一單位是主持的主導單位)，可以包含基層單位中的局部的計算機控制管理自動化(CIMS)、FMS、CAD/CAM，可以靈活機動地采用虛擬制造、虛擬裝配、并行工程等各種先進工藝和管理方法，最終達到快速、優質、低成本地進行生產或研制新產品。
    美國波音777大型民用客機的研制，可以認為是敏捷制造的綜合應用實例。美國研制波音777大型民用客機是以西雅圖為中心，集中南北51英里，11個地區的很多個工廠研究所協作研制，參加人員包含制造、供應、用戶等共7000多人。全部研制工作中，實現無圖紙生產, 采用各種計算機控制管理，虛擬設計和虛擬制造，并行工程，CAD/CAM一體化技術等一切能采用的自動化設計,制造,管理等生產辦法。最后.波音777大型民用客機一次研制試飛成功，全部設計研制周期僅27個月。而這之前，同樣復雜程度的波音767大型民用客機的研制周期為40個月。從這實例可以看到綜合應用敏捷制造的新制造模式的優越性。
    歐盟協作生產空中客車大型民用客機，可以認為是綜合應用敏捷制造的新制造模式的另一實例�？罩锌蛙嚧笮兔裼每蜋C主要是法國、英國和德國合作生產。跨越英吉利海峽的三個國家的一百數十個工廠、研究所和設計單位，共同參加合作研制生產，最后較快、較好的完成了研制和生產任務。

七、用掃描探針微顯微鏡進行納米級精加工和原子操縱

    掃描探針微顯微鏡開始時僅用于表面微觀形貌的檢測�，F在用途已大大擴展, 已用于納米級微結構的精密加工和原子操縱，下面作簡單介紹。

    7.1用AFM的探針直接進行雕刻加工

    原子力顯微鏡使用高硬度的金剛石或Si3N4探針尖，可以對試件表面直接進行刻劃加工。可改變針尖作用力大小來控制刻劃深度，按要求形狀進行掃描，即可獲得要求的圖形結構。用SPM探針可以刻劃出極小的三維立體圖形結構，圖11中是哈工大納米技術中心用AFM加工出的兩種立體征結構, 可看到用這種方法可以雕刻出側壁較陡峭而深的凹槽和其他立體微結構。

    7.2用SPM進行電子束光刻加工

    當AFM使用導電探針時，控制探針和試件間的偏壓，由于針尖端極尖銳可以將針尖處的電子束聚焦到極細。再采用常規的光刻工藝，即可獲得極精微的光刻圖形。圖12中是Stanford大學Quate等用SPM對Si表面進行光刻加工, 獲得的納米細線寬度為32 nm，刻蝕深度為320 nm，高寬比達到10：1。美國IBM公司的McCord等用AFM在Si表面進行光刻加工, 獲得線條寬為10 nm的圖案。

    7.3用局部陽極氧化法加工納米結構

    使用SPM的探針尖，對試件表面進行局部陽極氧化方法的原理, 見圖13。在反應過程中，針尖和試件表面間存在隧道電流和電化學反應, 針尖是陽級反應的陰極，試件表面為陽級（即試件的偏壓為正），吸附在試件表面的水分子起到了電化學反應中的電解液作用，提供氧化反應中所需的HO-離子。
    圖14a是Stanford大學Dai等用SPM在氫飩化的Si表面，用陽極氧化法加工出的SiO2細線組成的“nanotube”和“nanopencil”等字, 可看到寫成的字甚小。實驗中用的AFM探針尖為多壁碳納米管，針尖的負偏壓為 -7 ~ -15 V，SiO2細線寬度僅10 nm。圖14b所示, 是中科院真空物理實驗室用STM在P型Si(111)表面用陽極氧化法制成的SiO2圖形的中科院院微圖形的微結構。

    7.4納米點的沉積加工

    在一定的脈沖電壓作用下，SPM針尖材料的原子可以遷移沉積到試件表面，形成納米點。改變脈沖電壓和脈沖次數，可以控制形成的納米點的尺寸大小。
    圖15中所示, 是黃德歡用STM的Pt針尖在試件Si(111)―7×7表面上加工出的Pt納米點實例。實驗時Pt針尖和試件表面距離約0.4 nm，在針尖施加一個 ―3.0 V, 10 ms的電壓脈沖，由于電流急劇增加，溫度大幅度升高，針尖的Pt原子向試件迅速擴散，形成一個納米尺度的聯接橋，由于STM工作在恒電流反饋狀態，針尖回縮使形成的納米橋斷裂。殘留在試件表面的Pt材料, 構成圖中的Pt納米點。一個脈沖加工得到的納米點, 直徑約為1.5 nm;兩個脈沖加工而成的納米點，直徑約為2 nm。
    Mamin 等用Au針尖的STM, 在針尖加 -3.5~ -4V的電壓脈沖，在黃金表面沉積加工出直徑10 ~20 nm，高1~2 nm的Au納米點。用這些Au納米點，描繪出直徑約1μm的西半球地圖，如圖16所示。這是用黃金制成的，最小的世界地圖。

    7.5三維立體納米微結構的自組裝生成

    使用SPM，控制工作環境條件（主要是: 針尖一試件間距離，外加偏壓，和環境溫度）可以自組裝生成三維立體納米微結構，下面是兩個具體實例。
日本NEC公司在600℃高溫條件下，通過增大STM針尖和試件Si(111）表面之間的負偏壓，使試件表面的Si原子自動聚集到STM的針尖下，自組裝而形成一個納米尺度的六邊形金字塔，如圖17所示。此金字塔的直徑約為80 nm，高度約為8 nm。這是使用STM實現原子三維空間的立體搬遷，自組裝形成立體結構。
    美國惠普公司，利用STM在特定的溫度和加大負偏壓的條件下，在Si基材表面上，實現三維立體搬遷表面上的鍺原子，自組裝而形成四邊形金字塔形的鍺原子量子點，如圖18所示。該鍺原子組成的金字塔底寬約10 nm, 高約1.5 nm。

    7.6原子操縱構成微結構圖形

    使用SPM進行原子操縱，可以實現搬遷原子，增添原子和去除原子，構成微結構圖形，下面是兩個實例。
    1993年Eigler等在銅Cu(111)表面上成功地移動了101個吸附的鐵原子，寫成中文的“原子”兩個字，(見圖19)，這是首次用原子寫成的漢字，也是最小的漢字。
    1994年中科院北京真空物理實驗室龐世謹等, 使用STM針尖在Si(111)―7×7表面連續移走Si原子，形成溝槽, 寫成中國 (圖20a)和毛澤東 (圖20b)等字的圖形結構。

八、微機械和微機電系統制造技術的進展

    近年微機械和微機電系統發展迅速，相應的促進了微機械和微機電系統制造技術的發展。

    8.1微硅零件的立體光刻腐蝕加工

    微機械和微機電系統中使用得最多的材料是硅，單晶硅的(100)、(110)和(111)晶面具有各向異性的特性，在使用“KOH+H2O”作為腐蝕劑時，(100) 、(110)、(111)晶面的蝕刻速率比大致為400 : 100 : 1�？梢詰�用各向異性刻蝕法加工立體微硅器件�，F在立體光刻腐蝕加工技術已是制造三維立體微硅器件的最基本方法之一。
    硅晶體進行各向異性刻蝕時可刻蝕的晶面為(100)和(110) 晶面，這兩晶面經各向異性刻蝕后，得到的基本刻蝕形狀是不同的。各向異性刻蝕在自由刻蝕狀態下，終止的面都是(111)晶面。因被刻蝕的(100)、(110)晶面和晶體內的(111)晶面的相互位置不同，得到的各向異性刻蝕結構形狀也就不同了。在相同掩膜形狀時，圖21a所示是(100)晶面各向異性刻蝕后的槽形，21b圖所示是(110)晶面各向異性刻蝕后的槽形。設計硅微結構時，如果這硅微結構準備用立體各向異性刻蝕方法制造，則必須考慮所用的晶面和晶體方向, 以及刻蝕后形狀能否符合所設計的微結構要求。
    硅晶體各向異性刻蝕制造立體微結構時，常和其他工藝結合進行。如在硅晶體中埋藏局部P+抗蝕層時，可限制該處的腐蝕深度，形成特殊結構，如圖22所示。立體刻蝕和犧牲層工藝結合可用于制造微硅加速度計。

    8.2 微器件的精密機械加工

    現已有多種小型精密高速機床(主軸轉速50000 r/min以上), 使用微小刀具加工微型器件。在微小型加工中心上，可加工極小的精密三維曲面，圖23所示，是日本Fanuc公司生產的加工微型零件的ROBOnano Ui五軸聯動加工中心。以及在這臺加工中心上用微型單晶金剛石立銑刀加工出的人像浮雕。

圖23 日ROBOnano Ui加工中心及所加工的曲面試件

    8.3微器件的特種加工

    電火花加工, 線切割, 超聲加工和激光加工等特種加工技術都已用于加工微型元器件，其中電火花加工, 線切割, 超聲加工可達到相當精度，圖24中是用不同電火花加工法加工出的幾個微型工件實例。超聲波加工法可在脆性材料上加工成型孔，已用超聲波加工法在石英玻璃上加工出Φ5μm微孔。準分子激光因光的波長短，熱作用區集中，適宜于加微型件。圖25a所示，是用激光在鈦合金細管上切割的成形槽，圖25b所示，是用準分子激光在一根頭發上刻的小字。

圖24 電火花加工出的微型精密零件

圖25 激光加工微型工件實例

    8.4 LIGA技術

    它是由深度同步幅射X射線光刻，電鑄成型，塑鑄成型等技術組合而成的綜合性技術。用這方法可以制作各種微器件和微裝置，材料可以是金屬、陶瓷和玻璃等，可以制作微形件的最大高度1000μm，槽寬0.5μm以上,高寬比大于200的立體微結構。刻出的圖形側壁陡峭，表面光滑。圖26是使用LIGA技術制造微器件過程。圖27所示，是使用LIGA技術制造的光刻膠模型和微器件。過去使用LIGA技術只能制造上下形狀一致的微器件，現在這技術又有發展。圖28所示，是這方法加工階梯狀零件，和上端部為半球狀的零件。

    8.5 微型件的精微塑性成形加工

    精微塑性成型加工技術已成功地制造多種微型器件。圖29a所示，是用塑性成型法加工的微小螺絲，螺紋部分直徑20～50 μm。圖29b所示，是Gunm大學研制的微型超塑擠壓機，可以用于加工制造微型齒輪軸等多種微型零件。

    8.6微型機械的裝配

    因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機械，已制造了多種微型夾持器、機械手和自動化裝配裝置。圖30a所示, 是應用壓電傳感驅動的微夾持器，圖30b所示, 是應用熱敏驅動的微夾持器。國外已開發了多種微型機械和微機電系統的自動裝配機。
    最近國外研制了制造微型機械的微型工廠。 圖31中是一個日本某學校研制的微型工廠，內有車床，加工中心，沖床，裝配機等。這微型工廠遙控監測操作，整個工廠為體積625 mm×490 mm×380 mm，重量 約34kg。