1 前言 f(M$m,d  
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超精密加工技術(shù)，是現(xiàn)代機械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。  超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.3～0.03µm，表面粗糙度為Ra0.03～0.005µm)和納米級(精度誤差為0.03µm，表面粗糙度小于 Ra0.005µm) 精度的加工。實現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術(shù)措施，則稱為超精加工技術(shù)。加之測量技術(shù)、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術(shù)總稱為超精工程。  超精密加工主要包括三個領(lǐng)域： 超精密切削加工如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工。 超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工。 超精密特種加工如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1µm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。 \r %y^G  
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2 國外概況 ;R5@]Hg6q  
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美國是最早研制開發(fā)超精密加工技術(shù)的國家。早在1962年，美國就開發(fā)出以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床，其主軸回轉(zhuǎn)精度為 0.125µm，加工直徑為Ø100mm的半球，尺寸精度為±0.6µm，粗糙度為Ra0.025µm。1984年又研制成功大型光學金剛石車床，可加工重1350kg，Ø1625mm的大型零件，工件的圓度和平面度達0.025µm，表面粗糙度為Ra0.042µm。在該機床上采用多項新技術(shù)，如多光路激光測量反饋控制，用靜電電容測微儀測量工件變形，32位機的CNC系統(tǒng)，用摩擦式驅(qū)動進給和熱交換器控制溫度等。  美國利用自己已有的成熟單元技術(shù)，只用兩周的時間便組裝成了一臺小型的超精密加工車床(BODTM型)，用刀尖半徑為5～10nm的單晶金剛石刀具，實現(xiàn)切削厚度為1nm (納米)的加工。盡管如此，最近美國政府還是繼續(xù)把微米級和納米級的加工技術(shù)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)之一，這足以說明美國對這一技術(shù)的重視。  英國是較早從事超精加工技術(shù)研究的國家之一。從1979年起，開發(fā)用于制造X射線望遠鏡的金屬反射鏡的立式超精密金剛石刀車床。要求反射鏡的精度在30mm 范圍內(nèi)的表面凹凸達到6nm以下，整個鏡面的形狀精度達1µm以下。該機床為保證超精加工，采用了許多新技術(shù)。例如采用封裝合成花崗巖作為機床基礎(chǔ)(總重 48t)，永久磁鐵型DC力矩馬達驅(qū)動的X軸和Z軸，徑向和軸向的回轉(zhuǎn)精度為0.1µm，空氣軸承支承的旋轉(zhuǎn)工作臺，分辨率為0.015µm的 HP5501型激光干涉儀，由HP9826型計算機等構(gòu)成的X軸、Z軸工件尺寸及形狀精度的測量補償系統(tǒng)，壓電式刀具微進給裝置，16位CNC控制系統(tǒng)等。英國在80年代初就已開始實施納米計劃，成立了納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會。Cranfield理工學院是世界上第二個能制造出用于大型超精密加工機床的高剛度(2kN/µm)氣浮精密軸承和主軸系統(tǒng)的單位。  日本的超精密加工技術(shù)的研究開發(fā)滯后于美國20年，但由于得到有關(guān)方面的重視和努力，發(fā)展較快。與美國不同，日本完全是出于民用工業(yè)的考慮來發(fā)展超精密加工技術(shù)的，從多棱體反射鏡加工機床到磁頭微細加工機床，磁盤端面車床，發(fā)展到非球面加工機床和短波X射線反射鏡面加工機床。1986年日本已把納米技術(shù)作為先進技術(shù)探索研究計劃中的六大課題之一。日本推行了一個從1991年起，為期 10年，投資250億日元的研究開發(fā)微型機械的大型國家科研計劃。在這個計劃中，F(xiàn)ANUC公司和電氣通信大學合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首次用切削方法實現(xiàn)了自由曲面的微細加工。這臺銑床具有無摩擦伺服系統(tǒng)和用于微細加工的CAD/CAM 系統(tǒng)，最小數(shù)控分辨率為1nm。在對直徑為1mm高度差為30µm的復(fù)雜曲面進行的微細銑削加工中，獲得了Ra0.058µm的表面粗糙度。機床的主要性能：X、Z軸的最小分辨率為1nm，C、B軸的最小分辨率分別為0.0001°和0.00001°，當主軸的最大供氣壓力為6×10⁶Pa 時，回轉(zhuǎn)速度為55000r/min。微細切削用刀具是一種單晶金剛石偽球頭立銑刀。刀尖半徑為0.01mm，半刀尖角為75°，刀尖圓弧中心與軸心線有 0.1mm的偏移量。日本的超精加工機床生產(chǎn)廠家有十多家，產(chǎn)品大多采用0.01µm高分辨率的CNC系統(tǒng)和激光干涉儀測量，納米級光刻已超過了美國，居世界領(lǐng)先地位。超精加工機床的加工精度已達亞微米級(0.1µm以下)，粗糙度達Ra0.01µm，最高水平的機床已用于制造超大規(guī)模集成電路，刻線寬度可達0.3µm。  德國、荷蘭以及中國臺灣的超精密加工機床，也都處于世界先進水平。如菲利普公司曾研制出Colath超精車床，最大加工直徑Ø200mm，長度200mm，其加工形狀精度為0.5µm，表面粗糙度Ra0.02µm。而德國主要研究超精密測量技術(shù)。  目前世界上超精密加工達到的最高技術(shù)水平如下：加工精度0.025µm，表面粗糙度Ra0.0045µm，即已進入了納米級加工精度的時代。在測量技術(shù)方面，對小位移的測量：電容式測頭分辨率可做到0.5nm(量程為15µm)和0.1nm(量程為5µm)，線性誤差小于0.1%；光電子纖維光學測頭的分辨率可到0.5nm(量程為30µm)，線性誤差為5%；掃描隧道顯微鏡(STM)的分辨率可達0.01nm(量程20mm時)；X射線干涉儀的分辨率還做到0.003nm(量程200µm時)。對大長度尺寸的測量，外差式激光干涉儀的分辨率可做到1.25nm(量程±2.6m)；氦氖激光(實驗室)的分辨率可做到0.01µm(量程為2mm)；莫爾條紋光學尺的分辨率可做到10nm(量程1m)，精度為1µm/m。對角度測量，莫爾條紋角度光學尺的分辨率可做到0.005"(360°范圍)，精度0.1"，因此測量方面基本上滿足了納米級加工技術(shù)要求。 e p jb  
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3 用STM進行微細加工 #ovausK[7  
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掃描隧道顯微鏡(STM)在納米級尺度上對各種表面進行刻蝕與修飾，實現(xiàn)納米加工，這是其應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。  用STM進行表面加工的方法主要有兩類：第一類是在金屬、半導(dǎo)體或絕緣體表面上直接寫入點、線或規(guī)定的圖形符號。具體方法通常是在STM的恒流模式工作狀態(tài)下，在針尖上加一定的電壓脈沖，或突然縮短針尖與樣品間的距離，使針尖下樣品表面形成坑、丘等結(jié)構(gòu)變化。  第二類方法是通過STM的電子束引起化學反應(yīng)，在針尖下的表面微區(qū)淀積金屬材料。  第一臺STM是G·Bining等于1981年研制成功的�，F(xiàn)在裝置的結(jié)構(gòu)、防震、穩(wěn)定性和分辨率等方面都日趨完善。在原理上，STM與通常的電子束一樣，在固體器件制造中可用來進行平面制版加工。其優(yōu)點是能顯示表面的結(jié)構(gòu)形貌，具有原子尺度的分辨率；所涉及的電子能量低(<100eV)，對材料的損傷少；可以在真空、大氣、甚至液體中工作；結(jié)構(gòu)遠比需聚焦、偏轉(zhuǎn)的離子、電子束裝置簡單，如直接用于平面結(jié)構(gòu)的制版加工，使現(xiàn)有的VLSI微細工藝水平提高到一個新的量級，對科學技術(shù)發(fā)展將產(chǎn)生巨大影響。假定寫入點的直徑為1nm，點中心間距為2nm，數(shù)據(jù)存貯器的記憶密度可達10¹³bits/cm²，可以存下300頁的書100萬本；對于3.5英寸大小的軟盤，存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國省級圖書館的全部藏書。 3Pu8IXW  
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