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精密和超精密加工技术的新进展（2）

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:33:22

5．精密磨削和精密研磨技术的发展
5.1 精密镜面磨削技术的发展
近年来，国外对精密磨削和精密研磨技术的研究开发获得了不少成果和进展。日本国家理化学研究所的大森整教授研制成功了在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工艺，可以对多种不同材料如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃、硅片等零件的平面、外圆和内孔进行镜面磨削。ELID镜面磨削使用特制的铁基结合剂细粒度金刚石或CBN砂轮，在磨削时在线对砂轮进行电解修整，电解修整砂轮用的电解液同时用作磨削液要求这种电解液不腐蚀机床。用ELID镜面磨削新工艺磨出的不同试件光学玻璃平面、硅片平面和陶瓷内孔的磨削表面粗糙度可以达到镜面水平Ra=0.02～0.01μm。ELID精密镜面磨削工艺具有极好的生产应用前景。现在我国哈尔滨工业大学已研究并掌握了这项精密磨削新工艺。
5.2 精密平面研磨技术的发展
精密研磨技术近年来亦有不少进展，特别是用于制造大规模集成电路的大直径硅基片的精研技术有很大提高。硅基片的表面质量要求极严，不仅要求表面粗糙度值极小、无划伤、平面度好，而且要求表面无加工变质层。我国现在己能生产8吋的硅基片，正在研制加工10吋的硅基片，但都是采用国外引进工艺和使用进口设备。我国亟需自主研究开发10～12吋硅基片的制造工艺和生产设备。
6．非球曲面精密加工技术的进展
6.1 非球曲面磨削技术的发展
目前，高精度非球曲面和自由曲面的应用日趋广泛，相应的加工制造技术亦发展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密车床为基础，结合ELID镜面磨削技术，发展了加工回转体非球曲面的ELID精密数控镜面磨床，以后又发展了三坐标联动的数控ELID精密镜面磨床，可实现精密自由曲面的镜面加工。现在国外生产的超精密数控金刚石车床一般都带有磨头，可用磨头替代金刚石车刀磨制回转体非球曲面。国外还发展了多种可用于磨制各种精密自由曲面的多坐标数控磨床。
6.2 精密自由曲面抛光技术的发展
高精度自由曲面现在多数采用抛光工艺作为最终加工工序。目前国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机床。如日本Canon公司用于曲面光学镜片最终抛光加工的精密曲面抛光机床，它具有三坐标数控系统，采用在线测量。加工曲面时，可根据实测的镜片曲面误差，控制抛光头的抛光时间和压力，使曲面抛光工艺实现了半自动化。
美国以前已研制出大型六轴数控精密研磨机，用于加工大型光学反射镜。不久前美国在南卡莱罗那州制造了直径8.4m的大型光学反射镜。制造该大型光学反射镜时，并未制造相应的大型研磨抛光机床，而是采用现场光学玻璃熔化铸造，在现场用多路激光对反射镜的型面进行在线精度检测，然后根据测得的几何形状误差，用带研磨头的小型设备进行局部研磨抛光，用“蚂蚁啃骨头”的方法成功研制出来大型高精度光学反射镜。
6.3 精密曲面磁流体抛光技术
国外最近发展了两种新型的曲面精密研磨抛光加工方法，第一种方法是用磁流体进行抛光；第二种方法用气囊进行抛光。
磁流体抛光的原理是采用永久磁铁或电磁铁工具，将混有磨料的磁流体吸附在工具端部，对工件表面进行抛光。电磁铁工具通电后，磁流体吸附在反射镜工具的端部进行抛光加工，由于磁流体外形可随工件外形自动变化，因此对磁铁工具的外形要求不严格，较易加工制造。除可用平面工具吸附磁流体进行抛光外，也可采用杆状工具，一端吸附磁流体，代替立铣刀在多轴数控联动机床上对自由曲面进行抛光。磁流体抛光加工可获得很高的表面质量。
6.4 精密曲面气囊抛光技术
气囊抛光工艺是不久前由英国Zeeko公司研制成功的一种加工精密曲面的新方法。抛光工具的工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊，抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作相对进给运动一般是工件作三轴联动的进给运动，使工件的全部表面都能被抛光。抛光时，工具气囊还需同时作摆动摆动中心为汽囊曲面的曲率中心，以使磨料薄膜层磨损均匀。由于工具气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光加工外形曲率不同但需相近的曲面。这种新的曲面抛光方法可用于加工非球回转曲面，也可用于加工自由曲面，抛光表面质量极高。
7．超大规模集成电路制造技术的进展
在过去30年里，集成电路技术获得了飞跃性发展，现以全球较大的芯片制造商英特尔Intel公司的计算机芯片为例，简要说明集成电路的发展情况。
英特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来，已更新换代十多次。在这一次次的更新换代中，芯片的性能和集成度得到了大幅度提高。1971年英特尔公司4004芯片的时钟速度仅为108kHz，内含晶体管2300个，最小线宽为10μm；1999年英特尔公司的Pentium III芯片奔腾ΙΙΙ芯片，时钟速度已高达1GHz，在面积为217mm2的芯片内，有2800万个晶体管，最小线宽为0.18μm；2001年3月英特尔公司推出的Pentium 4芯片的时钟速度达1.7GHz，最小线宽为0.13μm，在面积为116mm2的芯片内包含的晶体管超过了4200万个。英特尔公司计划到2011年，芯片时钟速度达到10GHz。30年来，计算机芯片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的10μm缩小到0.13μm。最近新的芯片时钟速度已高达2.8～3.2GHz。
现在制造集成电路的光刻技术使用的光波为紫外光波长0.24μm，已达到的最小线宽为0.13μm。从理论上分析，光刻加工技术的极限线宽为0.1～0.08μm。在光刻加工中，最小线宽与光波波长有关光刻时的光斑直径等于半波长。目前国外正在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻加工的线宽，这就需要使用波长更短的超紫外光作为曝光光源。使用超紫外光的光刻方法将有可能使光刻线宽达到70nm以下，但超紫外光会被空气吸收，因此光刻需在真空中进行，这对于大规模工业生产将增添不少困难。现在国外制造的超大规模集成电路使用10～12吋晶片，用数控柔性生产线加工制造，可以很快试制出新设计的集成电路块，并能小批量生产集成电路，价格也不贵。
我国的微电子工业近年来获得了飞速发展，已能生产多种较复杂的大规模集成电路芯片，但使用的加工设备和生产工艺基本都是从国外引进的，因此较新的前沿技术仍然掌握在外国人手中。我国现在制造大规模集成电路的水平是：已能用8吋硅晶片生产制造大规模集成电路，光刻能达到的最小线宽为0.18μm。我们正在努力自主研发10～12吋硅晶片和线宽0.13～0.1μm的超大规模集成电路制造技术，希望微电子工业的制造水平能尽快赶上世界先进水平。
8．微型零件、微型机械和微机电系统的精密制造技术新进展
随着纳米技术的迅速发展和应用范围日趋广泛，微型机械、微机电系统技术以及相应的精密微细加工、微型零件及微机械精密制造技术亦获得了快速发展。为了制造微型零件和微机械，精微机械加工发展迅速，现己达到较高水平。精微电火花加工、精微超声振动加工、精微准分子激光加工、精微塑性成型加工等均已用于加工精度达微米级尺度的微小机构零件。此外，还发展了不少专用的新工艺，如立体光刻技术、LIGA技术、牺牲层工艺等。并已开发了微型机械的自动装配技术和微型机械制造厂等。下面只简要介绍精密微细机械加工技术的较新进展。
8.1 用SPM探针直接对试件进行雕刻加工
原子力显微镜AFM的探针尖一般是用高硬度材料如金刚石或Si3N4材料制成，因此可以用探针尖对试件表面直接进行刻划加工，令针尖按微结构要求的形状尺寸进行扫描，通过准确控制针尖的的作用力来控制刻划深度，即可获得具有精确形状要求的微小哈尔滨工业大学袁哲俊

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