細(xì)微加工技術(shù)
2012/5/8 0:31:06
微細(xì)加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個(gè)分支,面向微細(xì)加工的電加工技術(shù),激光微孔加工、水射流微細(xì)切割技術(shù)等等在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì),振興我國國防事業(yè)等發(fā)面都有非常重要的意義,這一領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)未來的國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)等將產(chǎn)生巨大影響,先進(jìn)國家紛紛將之列為未來關(guān)鍵技術(shù)之一并擴(kuò)大投資和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與開發(fā)。所以我們有理由有必要加快這一領(lǐng)域的發(fā)展和開發(fā)進(jìn)程。
微細(xì)加工技術(shù)的概念和特點(diǎn):
微細(xì)加工技術(shù)是指加工微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。從廣義的角度來講,微細(xì)加工包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法,如切削技術(shù),磨料加工技術(shù),電火花加工,電解加工,化學(xué)加工,超聲波加工,微波加工,等離子體加工,外延生產(chǎn),激光加工,電子束加工,粒子束加工,光刻加工,電鑄加工等。從狹義的角度來講,微細(xì)加工主要是指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù),因?yàn)槲⒓?xì)加工和超微細(xì)加工是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的,特門市大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ),是信息時(shí)代微電子時(shí)代,光電子時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。
微小尺寸和一般尺寸加工是不同的,其不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1. 精度的表示方法
在微小尺寸加工時(shí),由于加工尺寸很小,精度就必須用尺寸的絕對(duì)值來表示,即用取出的一塊材料的大小來表示,從而引入加工單位尺寸的概念。
2. 微觀機(jī)理
以切削加工為例,從工件的角度來講,一般加工和微細(xì)加工的最大區(qū)別是切屑的大小。一般為金屬材料是由微細(xì)的晶粒組成,晶粒直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米。一般加工時(shí),吃刀量較大,可以忽略晶粒的大小,而作為一個(gè)連續(xù)體來看待,因此可見一般加工和微細(xì)加工的機(jī)理是不同的。
3.加工特征
微細(xì)加工和超微細(xì)加工以分離或結(jié)合原子、分子為加工對(duì)象,以電子束、技工束、粒子束為加工基礎(chǔ),采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等手段進(jìn)行各種處理。
微細(xì)加工和超精密加工在國外的發(fā)展情況:
在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域起步最早和技術(shù)領(lǐng)先的國家是美國,其次是日本和歐洲的一些國家。美國超精密加工技術(shù)的發(fā)展得到了政府和軍方的財(cái)政支持,近年,美國執(zhí)行了"微米和納米級(jí)技術(shù)"國家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃,國防部陸、海、空三軍組成了特別委員會(huì),統(tǒng)一協(xié)調(diào)研究工作。美國至少有30多個(gè)廠家和研究單位研制和生產(chǎn)各種超精密加工機(jī)床,國家勞倫斯.利佛摩爾實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)合碳化物公司、摩爾公司、杜邦公司等在國際上均久負(fù)盛名。美國最早研制了能加工硬脆材料的6軸數(shù)控超精密研磨拋光機(jī);聯(lián)合碳化物公司開發(fā)了直徑為800mm的非球面光學(xué)零件的超精密加工機(jī)床;勞倫斯.利佛摩爾實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了能加工陶瓷、硬質(zhì)合金、玻璃和塑料等難加工材料的超精密切削機(jī)床,在半導(dǎo)體工業(yè)、航空工業(yè)和醫(yī)療器械工業(yè)中投入使用;珀金-埃爾默等公司用超精密加工技術(shù)加工各種軍用紅外零部件。
日本對(duì)超精密技術(shù)的發(fā)展也十分重視,70年代初,日本成立了超精密加工技術(shù)委員會(huì),制定了技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,成為此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展速度最快的國家。日本現(xiàn)有20多家超精密加工機(jī)床研制公司,重點(diǎn)開發(fā)民用產(chǎn)品所需的加工設(shè)備并力圖使設(shè)備系列化,成批生產(chǎn)了多品種商品化的超精密加工機(jī)床。在超精密切削技術(shù)發(fā)展比較成熟后,日本已將黑色金屬、陶瓷和半導(dǎo)體功能材料的超精密加工技術(shù)作為重要的研究開發(fā)項(xiàng)目。日本的研究創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng),不是單純地模仿國外的做法,而是積極地利用外國技術(shù)并結(jié)合本國特點(diǎn)和生存環(huán)境,走出了一條自己的發(fā)展道路。
歐洲等國也將超精密加工技術(shù)的發(fā)展放在重要位置,60年代起英國開始研究超精密加工技術(shù),克蘭菲爾德大學(xué)精密工程研究所相繼研制出能加工大型非球面反射鏡的數(shù)控金剛石立式車床、加工大型非對(duì)稱結(jié)構(gòu)光學(xué)零件的數(shù)控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工藝,F(xiàn)已成立了國家納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì),正在執(zhí)行國家納米技術(shù)研究計(jì)劃。德國和瑞士也有比較強(qiáng)的超精密加工能力。1992年后,歐洲實(shí)施了一系列的聯(lián)合研究與發(fā)展計(jì)劃,加強(qiáng)和推動(dòng)超精密加工技術(shù)的發(fā)展。超精密車削、磨削和研磨是已經(jīng)發(fā)展成熟并大量應(yīng)用的加工技術(shù)。日本開發(fā)了外圓和平面等多種類型的研磨機(jī),美國也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨機(jī)。另外,國外還大力發(fā)展了超精密拋光技術(shù),以獲得高的表面質(zhì)量。美、日、英等國投入了大量資金和人力開發(fā)了離子束拋光工藝,以加工高精度的光學(xué)器件。美國還研制了邊拋光邊測(cè)量的離子束拋光機(jī),拋光非球面鏡的精度達(dá)λ/50。納米級(jí)制造技術(shù)是超精密加工技術(shù)的頂峰,其研究需要有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和豐厚的物質(zhì)條件,美國、日本和英國正在進(jìn)行一些研究項(xiàng)目,包括聚焦電子束曝光、準(zhǔn)分子激光蝕刻和掃描隧道顯微鏡納米加工技術(shù)等。聚焦電子束曝光可通過計(jì)算機(jī)控制繪制出任意形狀的圖形,而且不損傷材料。準(zhǔn)分子激光束通過與被加工材料表面起直接反應(yīng)進(jìn)行蝕刻,沒有對(duì)加工部位的照射損傷和放電破壞,可達(dá)到納米級(jí)的蝕刻精度。掃描隧道顯微鏡技術(shù)是利用掃描隧道顯微鏡探針的尖端俘獲單個(gè)原子或單個(gè)分子,并向被加工表面?zhèn)鬏,或者從被加工表面剝離單個(gè)或成團(tuán)的原子和分子,從而形成所需的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。美國和日本都已掌握了此項(xiàng)技術(shù),在金屬晶體或非金屬晶體表面制造出了單個(gè)原子寬的線條和圖形。該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是可適應(yīng)多種加工環(huán)境,在高真空中、空氣中、金屬有機(jī)物氣體中或溶液中都能在硅、砷化鎵等電子材料、石英、陶瓷、金屬和非金屬材料上加工出納米級(jí)的線條和圖形,為航空微電子元器件和微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。最早開發(fā)的復(fù)合超精密加工技術(shù)是超精密振動(dòng)金剛石刀具切削工藝,美國宇航動(dòng)力集團(tuán)采用該工藝加工了激光陀螺玻璃腔體,日本加工了平面和圓度達(dá)0.1μm的柱形零件。近年來,復(fù)合超精密加工技術(shù)更有了長足發(fā)展,日本理化研究所開發(fā)的在線電解修整復(fù)合磨削技術(shù),能高效磨削球面、非球面和平面透鏡等高硬度和高脆性電子和光學(xué)材料的功能零件,以及塑性金屬零件,尺寸和形狀精度達(dá)亞微米,表面粗糙度達(dá)納米級(jí)。如:采用該技術(shù)加工鍍膜SiC材料的球面、非球面和平面透鏡等光學(xué)零件,直徑100mm、曲率半徑2000mm的球面透鏡磨削后的形狀精度為0.2μm,表面粗糙度值為Ra0.0076μm;200mm×200 mm的平面透鏡磨削后,在Φ150mm范圍內(nèi)測(cè)量的平面度為0.6μm,表面粗糙度值為Ra0.006μm。等離子化學(xué)氣化加工和流體拋光技術(shù)也是目前國外開發(fā)的比較實(shí)用的加工技術(shù),主要針對(duì)電子和光電等功能材料零件的超精密加工,可加工出任意形狀的零件。目前,采用等離子化學(xué)氣化加工技術(shù)已制成了納米級(jí)精度和表面無缺陷的非球面透鏡,加工效率接近于機(jī)械加工的水平。采用流體拋光技術(shù)可獲得深度均勻的矩形窄縫、有拋物線形相交截面的半圓柱體。超精密加工技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已有近40年的發(fā)展歷史,其生命力不僅在于包括航空技術(shù)在內(nèi)的高科技發(fā)展對(duì)它的需求,而且在于它綜合利用了高科技進(jìn)步的成果,更重要的是在利用這些成果的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新,將其以新穎的構(gòu)思巧妙地加以重組不斷獲得新的設(shè)備和工藝技術(shù),模塊式超精密加工機(jī)床的誕生和復(fù)合超精密加工技術(shù)的出現(xiàn)就是很好的例證。
微細(xì)加工技術(shù)在國內(nèi)的成熟工藝及其產(chǎn)品:
中藥精細(xì)加工(氣流粉碎技術(shù))
氣流粉碎是高速碰撞與密閉粉碎,物料間彼此碰撞的概率大,粉塵也無泄漏。粉碎是中藥材加工和中藥制劑生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)。中藥自古就有"水飛"、"挫"、"搗"等精細(xì)加工方法,其主要應(yīng)用對(duì)象是礦物藥、貴重藥和具有特殊性質(zhì)的中藥,但處理量極少。我國現(xiàn)有中藥加工傳統(tǒng)工藝采用錘擊式、球磨式、萬能磨粉式、流能式截切式、滾筒式多種粉碎機(jī)械,由于粉碎方式不同,對(duì)于粉未的粒度、出粉率、以及有效成分的保存等方面都有一定局限,且采用非密閉制粉,造成粉塵泄漏大,收粉率不高,對(duì)于具有特殊性質(zhì)的物料如熱敏性、低融點(diǎn)、成分易破壞藥材的處理,以及提高收粉率方面仍未得到根本的解決。氣流粉碎機(jī)的發(fā)展為中藥的精細(xì)加工提供了可靠的保證。最新一代的CF系列流化床式氣流粉碎機(jī)是在消化吸收國內(nèi)外同類設(shè)備的技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,集世界上先進(jìn)的多噴管技術(shù)、流化床技術(shù)、臥式分級(jí)技術(shù)于一身,實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)多元化、料層液態(tài)化與分級(jí)臥式化的優(yōu)化體系,體現(xiàn)了氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于超細(xì)粉碎和分級(jí)工藝中的最新成果(7)。為該技術(shù)應(yīng)用于中藥的精細(xì)加工提供了技術(shù)保證。
激光微細(xì)加工系統(tǒng)
激光微細(xì)加工系統(tǒng)可對(duì)塑料、玻璃、陶瓷及金屬薄膜等多種材料進(jìn)行加工,精度可以做到微
米級(jí)。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及微電子加工、生物醫(yī)療器械生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)制造業(yè)、MEMS、MST、電
子通訊等各個(gè)領(lǐng)域。系統(tǒng)組成包括有:激光器、光路系統(tǒng)、調(diào)節(jié)平臺(tái)、控制器,能滿足您不同的加工要求。同時(shí)為您提供從紫外到紅外(Excimer、Solid state、CO2)廣泛光譜范圍內(nèi)的激光材料處理技術(shù)。
飛秒激光超微細(xì)加工 (femtosecond laser micro machining)
飛秒激光用于超微細(xì)加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強(qiáng)現(xiàn)象研究之外的又一個(gè)飛秒
激光技術(shù)的重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。與飛秒超快和飛秒超強(qiáng)研究有所不同的是飛秒激光超微細(xì)加
工與先進(jìn)的制造技術(shù)緊密相關(guān),對(duì)某些關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展可以起到更直接的推動(dòng)作用。飛秒激光超微細(xì)加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個(gè)極為引人注目的前沿研究方向。用激光超短脈沖進(jìn)行材料處理(或加工)不僅可以改進(jìn)現(xiàn)有激光材料微加工的不足之處,而且還可以完成傳統(tǒng)激光加工無法做到的事情。飛秒激光能夠具備極高的三維光子密度,對(duì)種材料實(shí)現(xiàn)逐層、微量加工;飛秒激光加工的熱影響區(qū)域(Heat affected zone)極小,并且不存在長脈沖激光或連續(xù)激光加工中的等離子體屏蔽效應(yīng),這就使得其能量利用效率和加工精度都非常之高。當(dāng)用飛秒激光加工透明介質(zhì)材料時(shí),加工過程不受材料本身的線性吸收系數(shù)的影響,同時(shí),對(duì)材料表面或內(nèi)部的缺陷不敏感。此外,從光和物質(zhì)相互作用的角度來看,飛秒激光加工涉及的主要是多光子電離的過程,在機(jī)理上不同于傳統(tǒng)激光加工。因此,飛秒激光進(jìn)行微加工有固定的加工閾值,加工和不加工有著明顯的區(qū)分,因此加工過程重復(fù)性好?梢灶A(yù)計(jì)飛秒激光超微細(xì)加工技術(shù)在微電子、生物芯片和新型材料等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都將有廣泛應(yīng)用。飛秒激光超微細(xì)加工中的“加工”二字具有廣義性。它可以是對(duì)物質(zhì)在原子、分子水平上的操縱(manipulation),或者是對(duì)物質(zhì)在微小區(qū)域內(nèi)某些重要屬性的改變與處理(processing),而并非只是通常人們所理解的“機(jī)械加工”。飛秒激光超微細(xì)加工不僅具有通;A(chǔ)應(yīng)用研究的特征,而且涉及到激光物理、原子分子物理、激光束光學(xué)、材料科學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、等離子體物理、流體氣體力學(xué)等廣泛知識(shí),屬于跨學(xué)科的研究。飛秒激光超微細(xì)加工往往是在極小的空間、極短的時(shí)間和極端的物理?xiàng)l件下對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工的。可以說,超微”與“超快”的組合是飛秒激光超微細(xì)加工的獨(dú)特之處。一定強(qiáng)度的飛秒激光可以用于對(duì)任何材料的精細(xì)加工,從金剛石到生物透析膜,從烈性炸藥到MEMs器件等都有實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道
“龍芯2號(hào)”
“龍芯2號(hào)”是國家“863”計(jì)劃和中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程共同支持的重大項(xiàng)目,其目
標(biāo)是在2004年中期,用0.18微米的工藝,實(shí)現(xiàn)主頻500MHz、SPEC CPU 2000測(cè)試分值超過300的
64位通用CPU芯片。SPEC分值的指標(biāo)意味著這款芯片的實(shí)際性能與1GHz的奔騰4差不多,是龍芯1號(hào)實(shí)測(cè)性能的10-15倍。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),龍芯2號(hào)采用了先進(jìn)的四發(fā)射超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)(即每個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)執(zhí)行4條指令)、5個(gè)強(qiáng)大的功能部件、亂序執(zhí)行機(jī)制、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)訪問機(jī)制及更大的片上高速緩存。在具體實(shí)現(xiàn)方面,龍芯2號(hào)逐步采用全定制的設(shè)計(jì)技術(shù),并通過多次流片,不斷驗(yàn)證新的功能,不斷提高時(shí)鐘頻率和實(shí)際性能。
基因芯片技術(shù)
基因芯片技術(shù)是近年來快速發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域前沿?zé)衢T課題。國內(nèi)急需且市場(chǎng)前景看好的生物芯片制作和生物芯片檢測(cè)關(guān)鍵儀器有——激光共聚焦生物芯片掃描儀和CCD生物芯片檢測(cè)儀
CCD生物芯片掃描儀利用CCD攝像原理的圖象檢測(cè)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、檢測(cè)速
度快、成本低。主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)為:提高CCD接收靈敏度和降低噪聲技術(shù);提高CCD動(dòng)態(tài)響應(yīng)技術(shù);多波長激發(fā)光源、聚焦、準(zhǔn)直和濾波技術(shù);氙燈光源控制技術(shù);照明均勻性控制技術(shù);圖象平滑濾波、自適應(yīng)背景確定、樣品斑點(diǎn)識(shí)別、數(shù)據(jù)提取、存貯和顯示技術(shù)。
激光共聚焦生物芯片掃描儀采用激光作激發(fā)光源,采用PMT檢測(cè)熒光信號(hào),因而具有較高的靈敏度,可以完成較大面積的掃描,并且具有很高的分辨率。主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)為:不同波長多個(gè)激發(fā)激光器系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和光束縮小、定向技術(shù);激光窄帶濾光片設(shè)計(jì)、鍍膜制備技術(shù),高靈敏度熒光分子探測(cè)技術(shù),高精度快速掃描技術(shù),整機(jī)控制和智能界面操作技術(shù);數(shù)據(jù)判讀、處理和顯示軟件技術(shù)。
i線深度刻蝕曝光光刻機(jī)
i線深度刻蝕曝光光刻機(jī)在微電子、微光學(xué)、微機(jī)械系統(tǒng)、紅外器件、準(zhǔn)LIGA及聲表面波等器件的研制和生產(chǎn)中都有應(yīng)用前景。該機(jī)在深度光刻中具有突出特色,采用1000W大功率汞燈照明電源系統(tǒng),采用球氣浮自動(dòng)調(diào)平調(diào)焦技術(shù)及高倍率雙視顯微鏡與CCD圖像對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。控制系統(tǒng)采用壓電陶瓷自動(dòng)閉環(huán)精確設(shè)定曝光間隙,自動(dòng)分離對(duì)準(zhǔn)間隙,具備接觸和絕對(duì)不接觸曝光方式和定時(shí)、定劑量兩種曝光劑量設(shè)定功能。采用特殊蠅眼透鏡平滑衍射效應(yīng)提高光刻分辨率等先進(jìn)技術(shù)。光刻分辨率達(dá)0.8μm-1μm,線條側(cè)壁陡度達(dá)85°,對(duì)深層光刻線條高寬比,孤立線條可達(dá)60:1,等間距線條優(yōu)于20:1。具有分辨力高、套刻準(zhǔn)、線條陡直、線條高寬比大、曝光速度快等特點(diǎn)。
微細(xì)加工前景:
如果進(jìn)入微觀世界,能夠捕獲一個(gè)或多個(gè)單原子,然后讓它們重新排列組合,那么就會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)本身發(fā)生某些變化,而這些變化將會(huì)對(duì)未來許多領(lǐng)域,及人類生活產(chǎn)生巨大影響。例如,我們把組成水分子的氫和氧分開,二者都是可以燃燒的。小的分子,只有足球體積的幾億分之一,用機(jī)械方法,幾乎是不可能捉住它,分子又是由原子組成的,操縱一個(gè)原子,就更難了,而光可以做到這一點(diǎn)。一束極細(xì)的激光,產(chǎn)生光子流,其動(dòng)量轉(zhuǎn)移給物體,形成光壓,再通過適當(dāng)?shù)墓鈭?chǎng)分布,可以把那種極小的原子俘獲在一定的位置,并可方便把移動(dòng)它。實(shí)際上這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子的操作。
控制原子或分子的手段叫光鑷,對(duì)分子原子進(jìn)行切割雕刻使用的是光刀。一種材料通過改變它的分子結(jié)構(gòu)及原子排列取向,進(jìn)而形成新布局,那么,它的性能就會(huì)發(fā)生很大變化,這樣未來我們所制造出來的電子器件,與現(xiàn)在相比,其功能相同,而體積則要小多少萬倍。
在以后的幾十年,隨著原子尺度加工技術(shù)不斷完善和提高,就會(huì)出現(xiàn)多種單原子器件和新型分子材料,如果把它們用制造機(jī)器人,最小型的就可以爬進(jìn)人的血管,進(jìn)行各種各樣的治療手術(shù)。同樣,用來制造衛(wèi)星,衛(wèi)星的體積,也會(huì)大大減少,到那時(shí)人類可能一次發(fā)射成千上萬顆用于各方面的衛(wèi)星,而到目前為止,人類在以往幾十年間,一共才把幾千顆衛(wèi)星送上天。通過科學(xué)分析和計(jì)算,改變了原子分子結(jié)構(gòu)的新型材料,具有更高的強(qiáng)度,更輕的重量,更好的絕熱和耐高溫性能,在空間領(lǐng)域,用來做太空船的外殼,引擎或其它方面,太空船會(huì)變得更輕、更快,能夠承受更為惡劣的環(huán)境,它會(huì)帶著人類走的更遠(yuǎn),會(huì)征服更多的星球。在日常生活中,我們所看到的,用激光刻錄的光盤,已經(jīng)可以儲(chǔ)存較多的信息了,但這只是一種新的輸入方式,而光盤本身做為一種材料,容量還是有限的,如增加它的原子分子密度和改變它們?nèi)∠,那么未來就可以把現(xiàn)在成千上萬強(qiáng)光盤的信息,放進(jìn)象手表大小的空間里。一座大型圖書館全部書籍可容進(jìn)一張光盤內(nèi),你擁有了這張光盤,就擁有了一座圖書館。
在生物領(lǐng)域,各種各樣的原子和分子,以它特有的方式組合在一起,由此產(chǎn)生了世界萬物,如果利用光鑷光刀,把生命體的某些原子取出,然后,按照科學(xué)規(guī)律,重新組合,會(huì)出現(xiàn)什么樣的結(jié)果,科學(xué)樂觀的預(yù)測(cè),這樣就有可能創(chuàng)造出具有生命力的新物質(zhì),而它的存在形成,與我們常見的動(dòng)物、植物和生物會(huì)有所不同。同樣,利用光刀光鑷,修復(fù)DNA和某些有缺陷的遺傳基因,從而可以克服困擾人類的多種頑癥。
21世紀(jì),人類進(jìn)入微觀世界。在原子分子尺度上,對(duì)物質(zhì)進(jìn)行操作和加工,無疑會(huì)展現(xiàn)
出一種相當(dāng)美好的前景,并引起各方面的廣泛重視。
小結(jié)
微細(xì)加工作為精密和超精密加工的一個(gè)分支,在國防和眾多領(lǐng)域都顯示了它本身的重要性,最為我們國家,在這一領(lǐng)域的發(fā)展還存在著嚴(yán)重的不足,要像是我們國家的科技實(shí)力,國防實(shí)力,以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力持續(xù)穩(wěn)定健康的發(fā)展,都必須積極的發(fā)展和創(chuàng)新在這一科技領(lǐng)域的技術(shù),不斷的改善完善技術(shù)工藝,是我們國家在這一科技領(lǐng)域走到世界的前沿。
作為一個(gè)新興行業(yè),微細(xì)加工和精密超精密加工的發(fā)展前景是無可限量的,只要我們高度重視它的發(fā)展,我們將開創(chuàng)一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的新局面,攀上科技的高峰。
微細(xì)加工技術(shù)的概念和特點(diǎn):
微細(xì)加工技術(shù)是指加工微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。從廣義的角度來講,微細(xì)加工包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法,如切削技術(shù),磨料加工技術(shù),電火花加工,電解加工,化學(xué)加工,超聲波加工,微波加工,等離子體加工,外延生產(chǎn),激光加工,電子束加工,粒子束加工,光刻加工,電鑄加工等。從狹義的角度來講,微細(xì)加工主要是指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù),因?yàn)槲⒓?xì)加工和超微細(xì)加工是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的,特門市大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ),是信息時(shí)代微電子時(shí)代,光電子時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。
微小尺寸和一般尺寸加工是不同的,其不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1.
在微小尺寸加工時(shí),由于加工尺寸很小,精度就必須用尺寸的絕對(duì)值來表示,即用取出的一塊材料的大小來表示,從而引入加工單位尺寸的概念。
2.
以切削加工為例,從工件的角度來講,一般加工和微細(xì)加工的最大區(qū)別是切屑的大小。一般為金屬材料是由微細(xì)的晶粒組成,晶粒直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米。一般加工時(shí),吃刀量較大,可以忽略晶粒的大小,而作為一個(gè)連續(xù)體來看待,因此可見一般加工和微細(xì)加工的機(jī)理是不同的。
3.加工特征
微細(xì)加工和超微細(xì)加工以分離或結(jié)合原子、分子為加工對(duì)象,以電子束、技工束、粒子束為加工基礎(chǔ),采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等手段進(jìn)行各種處理。
微細(xì)加工和超精密加工在國外的發(fā)展情況:
在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域起步最早和技術(shù)領(lǐng)先的國家是美國,其次是日本和歐洲的一些國家。美國超精密加工技術(shù)的發(fā)展得到了政府和軍方的財(cái)政支持,近年,美國執(zhí)行了"微米和納米級(jí)技術(shù)"國家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃,國防部陸、海、空三軍組成了特別委員會(huì),統(tǒng)一協(xié)調(diào)研究工作。美國至少有30多個(gè)廠家和研究單位研制和生產(chǎn)各種超精密加工機(jī)床,國家勞倫斯.利佛摩爾實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)合碳化物公司、摩爾公司、杜邦公司等在國際上均久負(fù)盛名。美國最早研制了能加工硬脆材料的6軸數(shù)控超精密研磨拋光機(jī);聯(lián)合碳化物公司開發(fā)了直徑為800mm的非球面光學(xué)零件的超精密加工機(jī)床;勞倫斯.利佛摩爾實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了能加工陶瓷、硬質(zhì)合金、玻璃和塑料等難加工材料的超精密切削機(jī)床,在半導(dǎo)體工業(yè)、航空工業(yè)和醫(yī)療器械工業(yè)中投入使用;珀金-埃爾默等公司用超精密加工技術(shù)加工各種軍用紅外零部件。
日本對(duì)超精密技術(shù)的發(fā)展也十分重視,70年代初,日本成立了超精密加工技術(shù)委員會(huì),制定了技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,成為此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展速度最快的國家。日本現(xiàn)有20多家超精密加工機(jī)床研制公司,重點(diǎn)開發(fā)民用產(chǎn)品所需的加工設(shè)備并力圖使設(shè)備系列化,成批生產(chǎn)了多品種商品化的超精密加工機(jī)床。在超精密切削技術(shù)發(fā)展比較成熟后,日本已將黑色金屬、陶瓷和半導(dǎo)體功能材料的超精密加工技術(shù)作為重要的研究開發(fā)項(xiàng)目。日本的研究創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng),不是單純地模仿國外的做法,而是積極地利用外國技術(shù)并結(jié)合本國特點(diǎn)和生存環(huán)境,走出了一條自己的發(fā)展道路。
歐洲等國也將超精密加工技術(shù)的發(fā)展放在重要位置,60年代起英國開始研究超精密加工技術(shù),克蘭菲爾德大學(xué)精密工程研究所相繼研制出能加工大型非球面反射鏡的數(shù)控金剛石立式車床、加工大型非對(duì)稱結(jié)構(gòu)光學(xué)零件的數(shù)控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工藝,F(xiàn)已成立了國家納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì),正在執(zhí)行國家納米技術(shù)研究計(jì)劃。德國和瑞士也有比較強(qiáng)的超精密加工能力。1992年后,歐洲實(shí)施了一系列的聯(lián)合研究與發(fā)展計(jì)劃,加強(qiáng)和推動(dòng)超精密加工技術(shù)的發(fā)展。超精密車削、磨削和研磨是已經(jīng)發(fā)展成熟并大量應(yīng)用的加工技術(shù)。日本開發(fā)了外圓和平面等多種類型的研磨機(jī),美國也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨機(jī)。另外,國外還大力發(fā)展了超精密拋光技術(shù),以獲得高的表面質(zhì)量。美、日、英等國投入了大量資金和人力開發(fā)了離子束拋光工藝,以加工高精度的光學(xué)器件。美國還研制了邊拋光邊測(cè)量的離子束拋光機(jī),拋光非球面鏡的精度達(dá)λ/50。納米級(jí)制造技術(shù)是超精密加工技術(shù)的頂峰,其研究需要有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和豐厚的物質(zhì)條件,美國、日本和英國正在進(jìn)行一些研究項(xiàng)目,包括聚焦電子束曝光、準(zhǔn)分子激光蝕刻和掃描隧道顯微鏡納米加工技術(shù)等。聚焦電子束曝光可通過計(jì)算機(jī)控制繪制出任意形狀的圖形,而且不損傷材料。準(zhǔn)分子激光束通過與被加工材料表面起直接反應(yīng)進(jìn)行蝕刻,沒有對(duì)加工部位的照射損傷和放電破壞,可達(dá)到納米級(jí)的蝕刻精度。掃描隧道顯微鏡技術(shù)是利用掃描隧道顯微鏡探針的尖端俘獲單個(gè)原子或單個(gè)分子,并向被加工表面?zhèn)鬏,或者從被加工表面剝離單個(gè)或成團(tuán)的原子和分子,從而形成所需的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。美國和日本都已掌握了此項(xiàng)技術(shù),在金屬晶體或非金屬晶體表面制造出了單個(gè)原子寬的線條和圖形。該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是可適應(yīng)多種加工環(huán)境,在高真空中、空氣中、金屬有機(jī)物氣體中或溶液中都能在硅、砷化鎵等電子材料、石英、陶瓷、金屬和非金屬材料上加工出納米級(jí)的線條和圖形,為航空微電子元器件和微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。最早開發(fā)的復(fù)合超精密加工技術(shù)是超精密振動(dòng)金剛石刀具切削工藝,美國宇航動(dòng)力集團(tuán)采用該工藝加工了激光陀螺玻璃腔體,日本加工了平面和圓度達(dá)0.1μm的柱形零件。近年來,復(fù)合超精密加工技術(shù)更有了長足發(fā)展,日本理化研究所開發(fā)的在線電解修整復(fù)合磨削技術(shù),能高效磨削球面、非球面和平面透鏡等高硬度和高脆性電子和光學(xué)材料的功能零件,以及塑性金屬零件,尺寸和形狀精度達(dá)亞微米,表面粗糙度達(dá)納米級(jí)。如:采用該技術(shù)加工鍍膜SiC材料的球面、非球面和平面透鏡等光學(xué)零件,直徑100mm、曲率半徑2000mm的球面透鏡磨削后的形狀精度為0.2μm,表面粗糙度值為Ra0.0076μm;200mm×200 mm的平面透鏡磨削后,在Φ150mm范圍內(nèi)測(cè)量的平面度為0.6μm,表面粗糙度值為Ra0.006μm。等離子化學(xué)氣化加工和流體拋光技術(shù)也是目前國外開發(fā)的比較實(shí)用的加工技術(shù),主要針對(duì)電子和光電等功能材料零件的超精密加工,可加工出任意形狀的零件。目前,采用等離子化學(xué)氣化加工技術(shù)已制成了納米級(jí)精度和表面無缺陷的非球面透鏡,加工效率接近于機(jī)械加工的水平。采用流體拋光技術(shù)可獲得深度均勻的矩形窄縫、有拋物線形相交截面的半圓柱體。超精密加工技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已有近40年的發(fā)展歷史,其生命力不僅在于包括航空技術(shù)在內(nèi)的高科技發(fā)展對(duì)它的需求,而且在于它綜合利用了高科技進(jìn)步的成果,更重要的是在利用這些成果的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新,將其以新穎的構(gòu)思巧妙地加以重組不斷獲得新的設(shè)備和工藝技術(shù),模塊式超精密加工機(jī)床的誕生和復(fù)合超精密加工技術(shù)的出現(xiàn)就是很好的例證。
微細(xì)加工技術(shù)在國內(nèi)的成熟工藝及其產(chǎn)品:
中藥精細(xì)加工(氣流粉碎技術(shù))
氣流粉碎是高速碰撞與密閉粉碎,物料間彼此碰撞的概率大,粉塵也無泄漏。粉碎是中藥材加工和中藥制劑生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)。中藥自古就有"水飛"、"挫"、"搗"等精細(xì)加工方法,其主要應(yīng)用對(duì)象是礦物藥、貴重藥和具有特殊性質(zhì)的中藥,但處理量極少。我國現(xiàn)有中藥加工傳統(tǒng)工藝采用錘擊式、球磨式、萬能磨粉式、流能式截切式、滾筒式多種粉碎機(jī)械,由于粉碎方式不同,對(duì)于粉未的粒度、出粉率、以及有效成分的保存等方面都有一定局限,且采用非密閉制粉,造成粉塵泄漏大,收粉率不高,對(duì)于具有特殊性質(zhì)的物料如熱敏性、低融點(diǎn)、成分易破壞藥材的處理,以及提高收粉率方面仍未得到根本的解決。氣流粉碎機(jī)的發(fā)展為中藥的精細(xì)加工提供了可靠的保證。最新一代的CF系列流化床式氣流粉碎機(jī)是在消化吸收國內(nèi)外同類設(shè)備的技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,集世界上先進(jìn)的多噴管技術(shù)、流化床技術(shù)、臥式分級(jí)技術(shù)于一身,實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)多元化、料層液態(tài)化與分級(jí)臥式化的優(yōu)化體系,體現(xiàn)了氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于超細(xì)粉碎和分級(jí)工藝中的最新成果(7)。為該技術(shù)應(yīng)用于中藥的精細(xì)加工提供了技術(shù)保證。
激光微細(xì)加工系統(tǒng)
激光微細(xì)加工系統(tǒng)可對(duì)塑料、玻璃、陶瓷及金屬薄膜等多種材料進(jìn)行加工,精度可以做到微
米級(jí)。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及微電子加工、生物醫(yī)療器械生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)制造業(yè)、MEMS、MST、電
子通訊等各個(gè)領(lǐng)域。系統(tǒng)組成包括有:激光器、光路系統(tǒng)、調(diào)節(jié)平臺(tái)、控制器,能滿足您不同的加工要求。同時(shí)為您提供從紫外到紅外(Excimer、Solid state、CO2)廣泛光譜范圍內(nèi)的激光材料處理技術(shù)。
飛秒激光超微細(xì)加工 (femtosecond laser micro machining)
飛秒激光用于超微細(xì)加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強(qiáng)現(xiàn)象研究之外的又一個(gè)飛秒
激光技術(shù)的重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。與飛秒超快和飛秒超強(qiáng)研究有所不同的是飛秒激光超微細(xì)加
工與先進(jìn)的制造技術(shù)緊密相關(guān),對(duì)某些關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展可以起到更直接的推動(dòng)作用。飛秒激光超微細(xì)加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個(gè)極為引人注目的前沿研究方向。用激光超短脈沖進(jìn)行材料處理(或加工)不僅可以改進(jìn)現(xiàn)有激光材料微加工的不足之處,而且還可以完成傳統(tǒng)激光加工無法做到的事情。飛秒激光能夠具備極高的三維光子密度,對(duì)種材料實(shí)現(xiàn)逐層、微量加工;飛秒激光加工的熱影響區(qū)域(Heat affected zone)極小,并且不存在長脈沖激光或連續(xù)激光加工中的等離子體屏蔽效應(yīng),這就使得其能量利用效率和加工精度都非常之高。當(dāng)用飛秒激光加工透明介質(zhì)材料時(shí),加工過程不受材料本身的線性吸收系數(shù)的影響,同時(shí),對(duì)材料表面或內(nèi)部的缺陷不敏感。此外,從光和物質(zhì)相互作用的角度來看,飛秒激光加工涉及的主要是多光子電離的過程,在機(jī)理上不同于傳統(tǒng)激光加工。因此,飛秒激光進(jìn)行微加工有固定的加工閾值,加工和不加工有著明顯的區(qū)分,因此加工過程重復(fù)性好?梢灶A(yù)計(jì)飛秒激光超微細(xì)加工技術(shù)在微電子、生物芯片和新型材料等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都將有廣泛應(yīng)用。飛秒激光超微細(xì)加工中的“加工”二字具有廣義性。它可以是對(duì)物質(zhì)在原子、分子水平上的操縱(manipulation),或者是對(duì)物質(zhì)在微小區(qū)域內(nèi)某些重要屬性的改變與處理(processing),而并非只是通常人們所理解的“機(jī)械加工”。飛秒激光超微細(xì)加工不僅具有通;A(chǔ)應(yīng)用研究的特征,而且涉及到激光物理、原子分子物理、激光束光學(xué)、材料科學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)、等離子體物理、流體氣體力學(xué)等廣泛知識(shí),屬于跨學(xué)科的研究。飛秒激光超微細(xì)加工往往是在極小的空間、極短的時(shí)間和極端的物理?xiàng)l件下對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工的。可以說,超微”與“超快”的組合是飛秒激光超微細(xì)加工的獨(dú)特之處。一定強(qiáng)度的飛秒激光可以用于對(duì)任何材料的精細(xì)加工,從金剛石到生物透析膜,從烈性炸藥到MEMs器件等都有實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道
“龍芯2號(hào)”
“龍芯2號(hào)”是國家“863”計(jì)劃和中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程共同支持的重大項(xiàng)目,其目
標(biāo)是在2004年中期,用0.18微米的工藝,實(shí)現(xiàn)主頻500MHz、SPEC CPU 2000測(cè)試分值超過300的
64位通用CPU芯片。SPEC分值的指標(biāo)意味著這款芯片的實(shí)際性能與1GHz的奔騰4差不多,是龍芯1號(hào)實(shí)測(cè)性能的10-15倍。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),龍芯2號(hào)采用了先進(jìn)的四發(fā)射超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)(即每個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)執(zhí)行4條指令)、5個(gè)強(qiáng)大的功能部件、亂序執(zhí)行機(jī)制、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)訪問機(jī)制及更大的片上高速緩存。在具體實(shí)現(xiàn)方面,龍芯2號(hào)逐步采用全定制的設(shè)計(jì)技術(shù),并通過多次流片,不斷驗(yàn)證新的功能,不斷提高時(shí)鐘頻率和實(shí)際性能。
基因芯片技術(shù)
基因芯片技術(shù)是近年來快速發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域前沿?zé)衢T課題。國內(nèi)急需且市場(chǎng)前景看好的生物芯片制作和生物芯片檢測(cè)關(guān)鍵儀器有——激光共聚焦生物芯片掃描儀和CCD生物芯片檢測(cè)儀
CCD生物芯片掃描儀利用CCD攝像原理的圖象檢測(cè)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、檢測(cè)速
度快、成本低。主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)為:提高CCD接收靈敏度和降低噪聲技術(shù);提高CCD動(dòng)態(tài)響應(yīng)技術(shù);多波長激發(fā)光源、聚焦、準(zhǔn)直和濾波技術(shù);氙燈光源控制技術(shù);照明均勻性控制技術(shù);圖象平滑濾波、自適應(yīng)背景確定、樣品斑點(diǎn)識(shí)別、數(shù)據(jù)提取、存貯和顯示技術(shù)。
激光共聚焦生物芯片掃描儀采用激光作激發(fā)光源,采用PMT檢測(cè)熒光信號(hào),因而具有較高的靈敏度,可以完成較大面積的掃描,并且具有很高的分辨率。主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)為:不同波長多個(gè)激發(fā)激光器系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和光束縮小、定向技術(shù);激光窄帶濾光片設(shè)計(jì)、鍍膜制備技術(shù),高靈敏度熒光分子探測(cè)技術(shù),高精度快速掃描技術(shù),整機(jī)控制和智能界面操作技術(shù);數(shù)據(jù)判讀、處理和顯示軟件技術(shù)。
i線深度刻蝕曝光光刻機(jī)
i線深度刻蝕曝光光刻機(jī)在微電子、微光學(xué)、微機(jī)械系統(tǒng)、紅外器件、準(zhǔn)LIGA及聲表面波等器件的研制和生產(chǎn)中都有應(yīng)用前景。該機(jī)在深度光刻中具有突出特色,采用1000W大功率汞燈照明電源系統(tǒng),采用球氣浮自動(dòng)調(diào)平調(diào)焦技術(shù)及高倍率雙視顯微鏡與CCD圖像對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。控制系統(tǒng)采用壓電陶瓷自動(dòng)閉環(huán)精確設(shè)定曝光間隙,自動(dòng)分離對(duì)準(zhǔn)間隙,具備接觸和絕對(duì)不接觸曝光方式和定時(shí)、定劑量兩種曝光劑量設(shè)定功能。采用特殊蠅眼透鏡平滑衍射效應(yīng)提高光刻分辨率等先進(jìn)技術(shù)。光刻分辨率達(dá)0.8μm-1μm,線條側(cè)壁陡度達(dá)85°,對(duì)深層光刻線條高寬比,孤立線條可達(dá)60:1,等間距線條優(yōu)于20:1。具有分辨力高、套刻準(zhǔn)、線條陡直、線條高寬比大、曝光速度快等特點(diǎn)。
微細(xì)加工前景:
如果進(jìn)入微觀世界,能夠捕獲一個(gè)或多個(gè)單原子,然后讓它們重新排列組合,那么就會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)本身發(fā)生某些變化,而這些變化將會(huì)對(duì)未來許多領(lǐng)域,及人類生活產(chǎn)生巨大影響。例如,我們把組成水分子的氫和氧分開,二者都是可以燃燒的。小的分子,只有足球體積的幾億分之一,用機(jī)械方法,幾乎是不可能捉住它,分子又是由原子組成的,操縱一個(gè)原子,就更難了,而光可以做到這一點(diǎn)。一束極細(xì)的激光,產(chǎn)生光子流,其動(dòng)量轉(zhuǎn)移給物體,形成光壓,再通過適當(dāng)?shù)墓鈭?chǎng)分布,可以把那種極小的原子俘獲在一定的位置,并可方便把移動(dòng)它。實(shí)際上這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子的操作。
控制原子或分子的手段叫光鑷,對(duì)分子原子進(jìn)行切割雕刻使用的是光刀。一種材料通過改變它的分子結(jié)構(gòu)及原子排列取向,進(jìn)而形成新布局,那么,它的性能就會(huì)發(fā)生很大變化,這樣未來我們所制造出來的電子器件,與現(xiàn)在相比,其功能相同,而體積則要小多少萬倍。
出一種相當(dāng)美好的前景,并引起各方面的廣泛重視。
小結(jié)
微細(xì)加工作為精密和超精密加工的一個(gè)分支,在國防和眾多領(lǐng)域都顯示了它本身的重要性,最為我們國家,在這一領(lǐng)域的發(fā)展還存在著嚴(yán)重的不足,要像是我們國家的科技實(shí)力,國防實(shí)力,以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力持續(xù)穩(wěn)定健康的發(fā)展,都必須積極的發(fā)展和創(chuàng)新在這一科技領(lǐng)域的技術(shù),不斷的改善完善技術(shù)工藝,是我們國家在這一科技領(lǐng)域走到世界的前沿。
作為一個(gè)新興行業(yè),微細(xì)加工和精密超精密加工的發(fā)展前景是無可限量的,只要我們高度重視它的發(fā)展,我們將開創(chuàng)一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的新局面,攀上科技的高峰。