五、精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展
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精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響尖端技術(shù)和國防工業(yè)的發(fā)展。世界各國在這方面都極為重視，投入很大力量進(jìn)行開發(fā)研究, 同時技術(shù)保密，控制出口。由于光學(xué)（含激光）技術(shù)的迅速發(fā)展和多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，各種高精度光學(xué)平面和曲面的加工成為迫切任務(wù)，國外發(fā)展了多種超精密車削，磨削、拋光等加工精密光學(xué)平面和曲面的機(jī)床設(shè)備。
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5.1超精密機(jī)床的發(fā)展
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發(fā)展超精密機(jī)床是發(fā)展超精密加工的重要內(nèi)容。各發(fā)達(dá)國家都發(fā)展了多種超精密機(jī)床。超精密機(jī)床的發(fā)展方向：進(jìn)一步提高超棈密機(jī)床的精度，發(fā)展大型超精密機(jī)床，發(fā)展多功能和高效專用超精密機(jī)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(xué)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(shù)控精密研磨機(jī)，用于加工大型光學(xué)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(xué)反射鏡。此大型光學(xué)反射鏡, 采用現(xiàn)場光學(xué)玻璃熔化鑄造，不制造大型研磨拋光機(jī)床, 而在現(xiàn)場進(jìn)行在線精度檢測, 根據(jù)測得的幾何形狀誤差，進(jìn)行局部研磨拋光，而制成此大型高精度光學(xué)反射鏡。
英國制成OAGM2500 (2500mm×2500mm)多功能三坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控磨床,可加工和測量精密自由曲面，并且用此機(jī)床采用加工件拼合方法，加工成天文望遠(yuǎn)鏡中的直徑7.5m的大型反射鏡。
過去相當(dāng)長時期, 由于進(jìn)口受到限制，我們不能購進(jìn)國外的超精密機(jī)床，但在1998年我國數(shù)控超精密機(jī)床研制成功后，馬上對我國開禁，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)口了多臺超精密機(jī)床。
我國北京機(jī)床研究所、航空精密機(jī)械研究所，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位，現(xiàn)在已能生產(chǎn)若干種數(shù)控超精密金剛石機(jī)床。圖8a所示是北京機(jī)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(yè)大學(xué)研制的超精密車床，機(jī)床有兩坐標(biāo)精密數(shù)控系統(tǒng)和激光在線測量系統(tǒng)。但必須承認(rèn)，這方面的技術(shù)，和國外相比還有很大差距，國產(chǎn)超精密機(jī)床的質(zhì)量亟待提高?，F(xiàn)在我國正在研制加工直徑1m以上的立式超精密機(jī)床和加工KDP晶體大平面的超精密銑床等。
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圖8 國產(chǎn)數(shù)控金剛石超精密車床
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5.2非球曲面精密磨削研磨技術(shù)的發(fā)展
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日本以超精密車床為基礎(chǔ)，結(jié)合ELID鏡面磨削技術(shù),發(fā)展了加工回轉(zhuǎn)體非球曲面的ELID精密鏡面磨床(見圖9); 后來又發(fā)展了三坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控ELID精密鏡面磨床, 可加工精密自由曲面，達(dá)到鏡面。
高精度自由曲面現(xiàn)在應(yīng)用日廣，國外已有多種帶在線測量系統(tǒng)的多坐標(biāo)數(shù)控研磨拋光機(jī)，我國應(yīng)盡快研制開發(fā)這方面的產(chǎn)品。曲面的精密研磨拋光國外最近發(fā)展了兩種新加工方法，第一種是用磁流體進(jìn)行拋光，第二種用氣囊進(jìn)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(jìn)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(yán)格要求，很容易加工制造?？梢杂闷矫婀ぞ呶酱帕黧w進(jìn)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(shù)控聯(lián)動機(jī)床上，對自由曲面進(jìn)行拋光。磁流體拋光可使加工表面達(dá)到很高的質(zhì)量。
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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(jié)構(gòu)如圖10b所示。拋光工作時, 工具氣囊旋轉(zhuǎn)形成拋光運(yùn)動，工件對氣囊拋光工具作相對的進(jìn)給運(yùn)動, (一般是工件作三軸聯(lián)動的進(jìn)給運(yùn)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(yīng)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(zhì)量甚高的拋光表面。
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5.3超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的進(jìn)展
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過去30年集成電路獲得飛躍發(fā)展的發(fā)展，現(xiàn)以全球最大的芯片制造商英特爾公司(Intel)的計算機(jī)芯片為例說明集成電路的發(fā)展。
英特爾公司自1971年開始生產(chǎn)計算機(jī)芯片以來，已更新?lián)Q代十多次。芯片的性能和集成度,在這一次次的更新?lián)Q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(nèi)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(jīng)高達(dá)1 GHz，在面積為217 mm2的芯片內(nèi), 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(dá)1.7 GHz，最小線寬0.13 μm,在面積為116 mm2的芯片內(nèi),晶體管數(shù)超過4200萬個。計劃十年內(nèi)時鐘速度達(dá)到10 GHz，30年來計算機(jī)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(dá)2.8 GHz。
現(xiàn)在制造集成電路的光刻技術(shù)使用的光波是深紫外光(光波長為0.24 μm)，已達(dá)到的最小線寬為0.13 μm。從理論分析這光刻加工技術(shù)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(guān)，光刻時的光班直徑等于半波長。國外正在研究進(jìn)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(dá)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(jìn)行，這對大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)將增添困難。國外現(xiàn)在制造超大規(guī)模集成電路用10″- 12″晶片，制造時已用數(shù)字控制柔性生產(chǎn)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(chǎn)，價格也不貴。
我國微電子工業(yè)近年獲得飛躍發(fā)展，我國現(xiàn)在制造大規(guī)模集成電路的水平是：已能用8″硅晶片制造大規(guī)模集成電路，光刻能達(dá)到的最小線寬為0.18μm。我們正在努力研究發(fā)展10″～12″晶片、線寬0.13～0.1μm的大規(guī)模集成電路制造，希望能盡快趕上世界先進(jìn)水平。
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六、機(jī)械制造自動化技術(shù)的發(fā)展
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從計算出現(xiàn)以后，機(jī)械制造自動化的發(fā)展是柔性自動化的發(fā)展過程：從數(shù)控機(jī)床→加工中心→柔性加工單元→柔性制造系統(tǒng)。同時機(jī)械設(shè)計、工藝規(guī)程編制、車間調(diào)度、車間和工廠管理，成本核算等也都用計算機(jī)管理，這樣就出現(xiàn)了CAD/CAM一體化，并在20世紀(jì)80年代提出了全部工廠生產(chǎn)管理都由計算機(jī)控制管理，達(dá)到全盤自動化的CIMS設(shè)想，認(rèn)為這是機(jī)械制造業(yè)的今后發(fā)展方向。
但實(shí)際推廣CIMS技術(shù)卻是到處碰壁，這是因?yàn)橐粋€機(jī)械制造企業(yè)要全部由計算機(jī)控制管理，不僅技術(shù)難度極大，需要極大的投資，而且企業(yè)全部由計算機(jī)控制管理，根本無法適應(yīng)機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展和機(jī)電產(chǎn)品的多變和快速更新。
計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提出了計算機(jī)仿真和虛擬制造，包含在計算機(jī)上進(jìn)行加工過程碰撞仿真、加工精度仿真、調(diào)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(jī)械制造業(yè)中的設(shè)計、制造、調(diào)度管理都有極大幫助。后來又提出并行工程，使機(jī)械制造中原來需要先后順序進(jìn)行的工作，攺成并行或部分并行的工作，大大縮短了生產(chǎn)周期。
20世紀(jì)90年代隨因特網(wǎng)的出現(xiàn)應(yīng)用，提出了敏捷制造(或網(wǎng)絡(luò)制造)的新制造模式。應(yīng)用因特網(wǎng)，可使不同地區(qū)的單位間，實(shí)現(xiàn)快速大信息量的傳輸交流，使機(jī)械制造業(yè)可以將不同地區(qū)的工廠、設(shè)計單位和研究所通過因特網(wǎng)組合在一起，分工協(xié)作，、發(fā)揮各單位特長，共同開發(fā)、研制并生產(chǎn)某大型新產(chǎn)品。因系多單位協(xié)作，發(fā)揮各自特長，并行作業(yè)，故可快速、優(yōu)質(zhì)、低成本地進(jìn)行大型新產(chǎn)品研制與生產(chǎn)，這就是敏捷制造(或網(wǎng)絡(luò)制造)的概念。敏捷制造是多單位的協(xié)作生產(chǎn)(有一單位是主持的主導(dǎo)單位)，可以包含基層單位中的局部的計算機(jī)控制管理自動化(CIMS)、FMS、CAD/CAM，可以靈活機(jī)動地采用虛擬制造、虛擬裝配、并行工程等各種先進(jìn)工藝和管理方法，最終達(dá)到快速、優(yōu)質(zhì)、低成本地進(jìn)行生產(chǎn)或研制新產(chǎn)品。
美國波音777大型民用客機(jī)的研制，可以認(rèn)為是敏捷制造的綜合應(yīng)用實(shí)例。美國研制波音777大型民用客機(jī)是以西雅圖為中心，集中南北51英里，11個地區(qū)的很多個工廠研究所協(xié)作研制，參加人員包含制造、供應(yīng)、用戶等共7000多人。全部研制工作中，實(shí)現(xiàn)無圖紙生產(chǎn), 采用各種計算機(jī)控制管理，虛擬設(shè)計和虛擬制造，并行工程，CAD/CAM一體化技術(shù)等一切能采用的自動化設(shè)計,制造,管理等生產(chǎn)辦法。最后.波音777大型民用客機(jī)一次研制試飛成功，全部設(shè)計研制周期僅27個月。而這之前，同樣復(fù)雜程度的波音767大型民用客機(jī)的研制周期為40個月。從這實(shí)例可以看到綜合應(yīng)用敏捷制造的新制造模式的優(yōu)越性。
歐盟協(xié)作生產(chǎn)空中客車大型民用客機(jī)，可以認(rèn)為是綜合應(yīng)用敏捷制造的新制造模式的另一實(shí)例?？罩锌蛙嚧笮兔裼每蜋C(jī)主要是法國、英國和德國合作生產(chǎn)?？缭接⒓{的三個國家的一百數(shù)十個工廠、研究所和設(shè)計單位，共同參加合作研制生產(chǎn)，最后較快、較好的完成了研制和生產(chǎn)任務(wù)。
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七、用掃描探針微顯微鏡進(jìn)行納米級精加工和原子操縱
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掃描探針微顯微鏡開始時僅用于表面微觀形貌的檢測?，F(xiàn)在用途已大大擴(kuò)展, 已用于納米級微結(jié)構(gòu)的精密加工和原子操縱，下面作簡單介紹。
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7.1用AFM的探針直接進(jìn)行雕刻加工
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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(jìn)行刻劃加工?？筛淖冡樇庾饔昧Υ笮砜刂瓶虅澤疃龋匆笮螤钸M(jìn)行掃描，即可獲得要求的圖形結(jié)構(gòu)。用SPM探針可以刻劃出極小的三維立體圖形結(jié)構(gòu)，圖11中是哈工大納米技術(shù)中心用AFM加工出的兩種立體征結(jié)構(gòu), 可看到用這種方法可以雕刻出側(cè)壁較陡峭而深的凹槽和其他立體微結(jié)構(gòu)。
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7.2用SPM進(jìn)行電子束光刻加工
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當(dāng)AFM使用導(dǎo)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(xì)。再采用常規(guī)的光刻工藝，即可獲得極精微的光刻圖形。圖12中是Stanford大學(xué)Quate等用SPM對Si表面進(jìn)行光刻加工, 獲得的納米細(xì)線寬度為32 nm，刻蝕深度為320 nm，高寬比達(dá)到10：1。美國IBM公司的McCord等用AFM在Si表面進(jìn)行光刻加工, 獲得線條寬為10 nm的圖案。
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7.3用局部陽極氧化法加工納米結(jié)構(gòu)
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使用SPM的探針尖，對試件表面進(jìn)行局部陽極氧化方法的原理, 見圖13。在反應(yīng)過程中，針尖和試件表面間存在隧道電流和電化學(xué)反應(yīng), 針尖是陽級反應(yīng)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(xué)反應(yīng)中的電解液作用，提供氧化反應(yīng)中所需的HO-離子。
圖14a是Stanford大學(xué)Dai等用SPM在氫飩化的Si表面，用陽極氧化法加工出的SiO2細(xì)線組成的“nanotube”和“nanopencil”等字, 可看到寫成的字甚小。實(shí)驗(yàn)中用的AFM探針尖為多壁碳納米管，針尖的負(fù)偏壓為 -7 ~ -15 V，SiO2細(xì)線寬度僅10 nm。圖14b所示, 是中科院真空物理實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)。
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7.4納米點(diǎn)的沉積加工
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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(diǎn)。改變脈沖電壓和脈沖次數(shù)，可以控制形成的納米點(diǎn)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(diǎn)實(shí)例。實(shí)驗(yàn)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(kuò)散，形成一個納米尺度的聯(lián)接橋，由于STM工作在恒電流反饋狀態(tài)，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(gòu)成圖中的Pt納米點(diǎn)。一個脈沖加工得到的納米點(diǎn), 直徑約為1.5 nm;兩個脈沖加工而成的納米點(diǎn)，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(diǎn)。用這些Au納米點(diǎn)，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。
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7.5三維立體納米微結(jié)構(gòu)的自組裝生成
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使用SPM，控制工作環(huán)境條件（主要是: 針尖一試件間距離，外加偏壓，和環(huán)境溫度）可以自組裝生成三維立體納米微結(jié)構(gòu)，下面是兩個具體實(shí)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(fù)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(shí)現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷，自組裝形成立體結(jié)構(gòu)。
美國惠普公司，利用STM在特定的溫度和加大負(fù)偏壓的條件下，在Si基材表面上，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，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。
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7.6原子操縱構(gòu)成微結(jié)構(gòu)圖形
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使用SPM進(jìn)行原子操縱，可以實(shí)現(xiàn)搬遷原子，增添原子和去除原子，構(gòu)成微結(jié)構(gòu)圖形，下面是兩個實(shí)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(shí)驗(yàn)室龐世謹(jǐn)?shù)? 使用STM針尖在Si(111)―7×7表面連續(xù)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(jié)構(gòu)。
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八、微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)的進(jìn)展
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近年微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展迅速，相應(yīng)的促進(jìn)了微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展。
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8.1微硅零件的立體光刻腐蝕加工
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微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)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?yīng)用各向異性刻蝕法加工立體微硅器件?，F(xiàn)在立體光刻腐蝕加工技術(shù)已是制造三維立體微硅器件的最基本方法之一。
硅晶體進(jìn)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(jīng)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(tài)下，終止的面都是(111)晶面。因被刻蝕的(100)、(110)晶面和晶體內(nèi)的(111)晶面的相互位置不同，得到的各向異性刻蝕結(jié)構(gòu)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(shè)計硅微結(jié)構(gòu)時，如果這硅微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)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(shè)計的微結(jié)構(gòu)要求。
硅晶體各向異性刻蝕制造立體微結(jié)構(gòu)時，常和其他工藝結(jié)合進(jìn)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(jié)構(gòu)，如圖22所示。立體刻蝕和犧牲層工藝結(jié)合可用于制造微硅加速度計。
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8.2 微器件的精密機(jī)械加工
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現(xiàn)已有多種小型精密高速機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)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(chǎn)的加工微型零件的ROBOnano Ui五軸聯(lián)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。
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圖23 日ROBOnano Ui加工中心及所加工的曲面試件
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8.3微器件的特種加工
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電火花加工, 線切割, 超聲加工和激光加工等特種加工技術(shù)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(dá)到相當(dāng)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(shí)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(zhǔn)分子激光因光的波長短，熱作用區(qū)集中，適宜于加微型件。圖25a所示，是用激光在鈦合金細(xì)管上切割的成形槽，圖25b所示，是用準(zhǔn)分子激光在一根頭發(fā)上刻的小字。
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圖24 電火花加工出的微型精密零件
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圖25 激光加工微型工件實(shí)例
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8.4 LIGA技術(shù)
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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(shù)組合而成的綜合性技術(shù)。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(jié)構(gòu)?？坛龅膱D形側(cè)壁陡峭，表面光滑。圖26是使用LIGA技術(shù)制造微器件過程。圖27所示，是使用LIGA技術(shù)制造的光刻膠模型和微器件。過去使用LIGA技術(shù)只能制造上下形狀一致的微器件，現(xiàn)在這技術(shù)又有發(fā)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。
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8.5 微型件的精微塑性成形加工
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精微塑性成型加工技術(shù)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(xué)研制的微型超塑擠壓機(jī)，可以用于加工制造微型齒輪軸等多種微型零件。
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8.6微型機(jī)械的裝配
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因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機(jī)械，已制造了多種微型夾持器、機(jī)械手和自動化裝配裝置。圖30a所示, 是應(yīng)用壓電傳感驅(qū)動的微夾持器，圖30b所示, 是應(yīng)用熱敏驅(qū)動的微夾持器。國外已開發(fā)了多種微型機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)的自動裝配機(jī)。
最近國外研制了制造微型機(jī)械的微型工廠。 圖31中是一個日本某學(xué)校研制的微型工廠，內(nèi)有車床，加工中心，沖床，裝配機(jī)等。這微型工廠遙控監(jiān)測操作，整個工廠為體積625 mm×490 mm×380 mm，重量 約34kg。
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