超精密加工

【作　者】池去病

20世紀60年代為了適應核能﹑大規模集成電路﹑激光和航天等尖端技術的需要而發展起來的精度極高的一種加工技術。

到80年代初﹐其最高加工尺寸精度已可達10納米(1納米=0.001微米)級﹐表面粗糙度達1納米﹐加工的最小尺寸達 1微米﹐正在向納米級加工尺寸精度的目標前進。

納米級的超精密加工也稱為納米工藝(nanotechnology) 。超精密加工是處於發展中的跨學科綜合技術。

超精密加工的精度比傳統的精密加工提高了一個以上的數量級﹐除需要採用新的加工方法或新的加工機理之外﹐對工件材質﹐加工設備﹑工具﹑測量和環境條件等都有特殊的要求。

工件材質必須極為細緻均勻﹐並經適當處理以消除內部殘餘應力﹐保證高度的尺寸穩定性﹐防止加工後發生變形。

加工設備要有極高的運動精度﹐導軌直線性和主軸迴轉精度要達到0.1微米級﹐微量進給和定位精度要達到0.01微米級。

對環境條件要求嚴格﹐須保持恆溫﹑恆濕和空氣潔淨﹐並採取有效的防振措施。

加工系統的系統誤差和隨機誤差都應控制在 0.1微米級或更小。

這些條件是靠綜合應用精密機械﹑精密測量﹑精密伺服系統和計算機控制等各種先進技術獲得的。

超精密加工主要分為超精密切削加工和超精密特種加工。


超精密切削加工

主要有超精密車削﹑鏡面磨削和研磨等。

在超精密車床上用經過精細研磨的單晶金剛石車刀進行微量車削﹐切削厚度僅1微米左右﹐常用於加工有色金屬材料的球面﹑非球面和平面的反射鏡等高精度﹑表面高度光潔的零件。

例如加工核聚變裝置用的直徑為800毫米的非球面反射鏡﹐最高精度可達0.1微米﹐表面粗糙度為R z0.05微米。


超精密特種加工

當加工精度以納米﹐甚至最終以原子單位(原子晶格距離為0.1～0.2納米)為目標時﹐切削加工方法已不能適應﹐需要藉助特種加工的方法﹐即應用化學能﹑電化學能﹑熱能或電能等﹐使這些能量超越原子間的結合能﹐從而去除工件表面的部分原子間的附著﹑結合或晶格變形﹐以達到超精密加工的目的。

屬於這類加工的有機械化學拋光﹑離子濺射和離子注入﹑電子束曝射﹑激光束加工﹑金屬蒸鍍和分子束外延等。

這些方法的特點是對表面層物質去除或添加的量可以作極細微的控制。

但是要獲得超精密的加工精度﹐仍有賴於精密的加工設備和精確的控制系統﹐並採用超精密掩膜作仲介物。

例如超大規模集成電路的製版就是採用電子束對掩膜上的光致抗蝕劑(見光刻)進行曝射﹐使光致抗蝕劑的原子在電子撞擊下直接聚合(或分解)﹐再用顯影劑把聚合過的或未聚合過的部分溶解掉﹐製成掩膜。

電子束曝射製版需要採用工作台定位精度高達±0.01微米的超精密加工設備。