现代超精密加工技术

现代超精密加工技术内容摘要：

加工、分子束外延、物理和化学气相淀积等也属于能量束加工。 离子束加工溅射去除、沉淀和表面处理，离子束辅助蚀刻亦是用于纳米级加工的研究开发方向。 与固体工具切削加工相比，离子束加工的位置和加工速率难以确定，为取得纳米级的加工精度，需要亚纳米级检测系统与加工位置的闭环调节系统。 电子束加工是以热能的形式去除穿透层表面的原子，可以进行刻蚀、 光刻曝光、焊接、微米和纳米级钻削和铣削加工等。 2． 2． 3 LIGA 技术 ( Lithographie， Galvanoformung， Abformung) LIGA工艺是由深层同步辐射 X射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的综合性技术，其最基本和最核心的工艺是深度同步辐射光刻，而电铸和塑铸工艺是 LIGA产品实用化的关按。 与传统的半导体工艺相比， LIGA技术具有许多独特的优点，主要有： (1)用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。 (2)可以制作高度达数百微米至一千微米，高度比 大于 200 的三维立体微结构。 (3)横向尺寸可以小到 O． 5μm，加工精度可达 (4)可实现大批量复制、生产，成本低。 用 LIGA 技术可以制作各种微器件、微装置，己研制成功或正在研制的 LIGA 产品有微传感器、微电机、微机械零件、集成光学和微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械、纳米技术元件及系统等。 LIGA产品的应用涉及面广泛，如加工技术、测量技术、自动化技术、汽车及交通技术、电力及能源技术、航空及航天技术、纺织技术、精密工程及光学、微电子学、生物医学、环境科学和化学工程等。 ． 4 扫描隧道显微镜 ( STM)技术 C． binning 和 H． Robrer 发明的扫描隧道显微镜不但使人们可以以单个原子的分辨率观测物体的表面结构，而且也为以单个原子为单位的纳米级加工提供了理想途径。 应用扫描隧道显微镜技术可以进行原于级操作、装配和改型。 S T M将非常尖锐的金属针接近试件表面至1nm左右，施加电压时隧道电流产生，隧道电流每隔 0． 1nm变化一个数量级。 保持电流一定扫描试件表面，即可分辨出表面结构。 一般隧道电流通过探针尖端的一个原子，因而其横向分辨率为原于级。 扫描隧道显微加工技 术不仅可以进行单个原于的去除、添加和移动，而且可以进行 STM光刻、探针尖电子束感应的沉淀和腐蚀等新的 S T M加工技术。 2． 3 纳米测控技术 实现纳米级加工离不开纳米级的测量技术，而这二者都离不开控制技术，超高精度的定位技术是实现纳米级控制的关键。 2． 3． 1 纳米测量技术 以表面性貌等为测量对象，纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术。 光外差干涉仪：通常利用干涉条纹图的测量方法进行纳米级测量有其很大的局限性，而利用外差干涉测量技术可以得到 O． 1nm的空间分辨率，测量范围可 达 50mm。 X射线干涉仪：可见光和紫外光的干涉条纹间距为数百纳米，不易测量纳米级的微小位移，而利用 X射线的超短波长干涉测量技术可以实现 O． Olnm分辨率的位移测量。 测量范围可达 200μm。 频率跟踪 F—P标准具：而基于 F—P标准具的测量技术具有极高的 灵敏度和准确度，其精度可达到 10—3nm，但测量范围仅为 O． 1μm，其受限于激光器的调频范围。 激光频率分裂测长：激光频率分裂的值与分裂元件的位移有关，通过测频率测位移，精度己达到 1nm，进一步激光稳频可达 0． Olnm，测量范围 150μm。 扫描隧道显微镜可以直接观测原子尺度结构，垂直分辨率达到 O． 1nm，近年来在 S T M的基础上又派生出一系列的扫描探针显微技术，如光子扫描隧道显微镜、原子力显微镜(AFM)、磁力显 39。 微镜 (MFM) 扫描近场光学显微镜 (SNOM) 横向力显微镜 (LFM)、弹导电子发射显微镜 (BEEM) 光于扫描隧道显微镜 (PSTM)、扫描离子电导显微镜 (SICM)等等。 2． 3． 2 纳米定位控制技术 在纳米级测量与加工中，需要纳米级的三维定位与控制。 目前用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。 因此，实际的 定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米定位用的执行元件相组合方式来实现。 实现三维定位与控制，目前普遍采用压电陶瓷致动器件，它在微米级的极小范围内通过控制系统能实现近似的三维驱动。 此外，利用电致材料、静电或磁轴承式结构，以及静电致动的高精度定位控制技术也向纳米级精度发展，也可采用摩擦驱动装置和丝杠定位元件通过特殊的方法也纳米级的定位。 3 非球面曲面超精密加工技术 3． 1 概述 非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，最常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。 非球面光学零件具有球面光学零件所无可比拟的良好的 成象质量。 应用在光学系统中能够很好的矫正多种象差，改善仪器成象质量，提高仪器鉴别能力，增大作用距，它能以一个或几个少量的非球面零件代替较多的球面零件，从而简化仪器结构，降低成本，并有效的减轻仪器重量，在航空、航天等领域，由于近年来非球面雷达天线、非球面透镜、反射镜的应用，使产品的性能得到了极大提高。 卫星中的先进的光学望远系统、高分辨串的电视摄像系统、高灵敏度的红外传感系统等，其光学系统中都离不开非球面透镜。 惯导器件的关键部件激光陀螺中由于采用了非球面反射镜，不仅大大缩小了体积，更重要的是大大提高了控制精度以及控制稳定 性。 红外抛物面反射镜是红外探测系统中的关键元件，其加工精度对导弹引爆距离的一致性影响很大。 在民用方面激光。