先進(jìn)光學(xué)制造概論

現(xiàn)代光學(xué)制造工程概論光學(xué)制造系統(tǒng)是制造系統(tǒng)在光學(xué)領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，它唯一不同的在于此處制造系統(tǒng)對(duì)象是光學(xué)制造工程系統(tǒng)。它具有一切制造系統(tǒng)所現(xiàn)代光學(xué)制造工程以信息科學(xué)為主導(dǎo)、以現(xiàn)代光科學(xué)與制造科學(xué)理論與技術(shù)為基礎(chǔ)，以服務(wù)和支撐國(guó)家基礎(chǔ)研究和戰(zhàn)略高科技多科學(xué)前沿領(lǐng)域的發(fā)展為主旨，以工程科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法為基點(diǎn)，研究現(xiàn)代光學(xué)制造相關(guān)科學(xué)與技術(shù)在更高層次上的應(yīng)用和集成規(guī)律。它是光科學(xué)與制造科學(xué)的一門交叉現(xiàn)代光學(xué)制造工程具有適用性，集成性，系統(tǒng)性，科學(xué)性，創(chuàng)新性等基本特點(diǎn)。現(xiàn)代光學(xué)制造具有典型的極端制造特征，“一大一小”形象的概括了現(xiàn)代光學(xué)制造工程向兩個(gè)相反的極端方向上的發(fā)展，這同當(dāng)代科學(xué)發(fā)展規(guī)律相吻合。人類社會(huì)對(duì)于宇宙和大自然的永無(wú)止境的探索牽引了“一大”制造不斷發(fā)展。不斷細(xì)化的納米制造技術(shù)，一步步把人類社會(huì)帶入原子、分子科學(xué)技術(shù)的“一小”時(shí)代。納米科技的標(biāo)志性特征定義為0.1~100nm尺度范疇的納米材料和功能器件制造?！爸圃臁笔恰耙淮笠恍　边@兩個(gè)極端制造領(lǐng)域永恒的主題。從大制造理論看有包括“自上而下、或自下而上”的光學(xué)制造。自下而上制造原理屬于一種不斷細(xì)化的去除或剪裁，以機(jī)械制造模式為主流。自下而上屬于納米科技基本概念，強(qiáng)調(diào)依靠分子的自組裝而實(shí)現(xiàn)制造。超大型、超復(fù)雜光學(xué)制造工程主要有：天文光學(xué)與空間光學(xué)大型光學(xué)制造工程、慣性約束核聚變大型光學(xué)制造工程。從本質(zhì)而言，空間望遠(yuǎn)鏡是基地天文望遠(yuǎn)鏡向空間軌道上的延伸。現(xiàn)代天文學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門依托地、空結(jié)合的觀測(cè)手段，覆蓋射電、紅外、可見、X150光年空間深度的天象。大型光學(xué)制造工程成為推動(dòng)天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃和空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃發(fā)展的環(huán)節(jié)，創(chuàng)新是推動(dòng)大型光學(xué)制造工程發(fā)展的基本源泉，人類對(duì)于宇宙的探索沒(méi)有終點(diǎn)，大型光學(xué)制造工程的發(fā)展永無(wú)止境。NIF工程計(jì)劃相當(dāng)程度上依托慣性約束聚變光學(xué)制造工程的發(fā)展和成功。它是迄今世界上規(guī)模最大的用于產(chǎn)生清潔能源的“光學(xué)系統(tǒng)7000設(shè)計(jì)幾乎當(dāng)代一切先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)。超微細(xì)光學(xué)制造工程可歸類為納米光學(xué)制造工程。嚴(yán)格意義上，納米制造同納米制造具有不同的物理含義，傳統(tǒng)概念上，微米制造側(cè)重于達(dá)到微米或亞微米制造精度。而納米制造被嚴(yán)格定義為納米制造尺寸數(shù)量級(jí)的功能器件的技術(shù)。最早的微納米加工技術(shù)，是把光的能量載體特性用之于加工，采用光學(xué)投影曝光技術(shù)和光化學(xué)處理技術(shù)，把掩膜上的平面圖形通過(guò)投影光刻系統(tǒng)成像、轉(zhuǎn)移到硅片上。它在以下幾個(gè)方面不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工：微細(xì)結(jié)構(gòu)或線條有光學(xué)曝光方法形成，而不是借助加工工具從被加工材料的剝離形成；決定加工分辨率的是曝光波長(zhǎng)和光學(xué)成像系統(tǒng)性能質(zhì)量；加工形成的部件結(jié)構(gòu)或圖形本身的特征尺寸在為迷惑納米量級(jí)；光科技術(shù)通過(guò)多層二維結(jié)構(gòu)疊加而形成三維結(jié)構(gòu)；光刻技術(shù)一次形成整個(gè)系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工行程單個(gè)點(diǎn)、位、零件或部件的集成。光刻技術(shù)大量用于制作微系統(tǒng)，包括微機(jī)械、微流體、微光機(jī)電和納米機(jī)械等。高密度存儲(chǔ)技術(shù)、半導(dǎo)體激光與發(fā)光器件的制造、微顯示與大屏幕顯示器件制造、圖像傳感器制造、光傳輸與調(diào)制器件制造、光子晶體制造，生物芯片或者“芯片實(shí)驗(yàn)室”制造技術(shù)等都是利用了光刻技術(shù)。納米技術(shù)關(guān)心的是納米結(jié)構(gòu)的形成和應(yīng)用，集中關(guān)心納米材料與納米器件制造。納米器件是由人類納米結(jié)構(gòu)形成的功能器件，產(chǎn)生人工納米結(jié)構(gòu)離不開納米加工技術(shù)，包括“自上而下”與“自下而上”加工技術(shù)。納米技術(shù)的關(guān)鍵是人為控制納米結(jié)構(gòu)的形成。自下而上是指分子自組裝技術(shù)，即納米結(jié)構(gòu)是由分子一層一層或一個(gè)一個(gè)自下而上生長(zhǎng)起來(lái)。分子自組裝技術(shù)在大多數(shù)情況下也要以來(lái)自上而下的微納米加工技術(shù)提供組裝平臺(tái)或控制手段，使分子按照某一特定的排列圖形生長(zhǎng)。探針工藝的概念可以說(shuō)是傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的延伸，用各種微納米尺寸探針取代傳統(tǒng)的機(jī)械切削工具，包括掃面隧道顯微探針、原子力顯微探針等物理探針，也包括聚焦離子束、激光束、原子束和火花放電等非固態(tài)形式的物理探針。這些探針可以直接操縱原子的排列，在基底材料表面形成納米量級(jí)的氧化成結(jié)構(gòu)，或通過(guò)“點(diǎn)墨法”將分子液體傳遞到固體表面次年工程納米量級(jí)的單分子層點(diǎn)陣或圖形。超精密光學(xué)制造技術(shù)，主要是追求微納米制造精度。高端光刻機(jī)中的投影光刻物鏡的光學(xué)表面加工涉及當(dāng)代最陷阱的高端光學(xué)制造設(shè)備和技術(shù)，包括：計(jì)算機(jī)數(shù)控形成技術(shù)精度水平約10~5nm；磁流體拋光技術(shù)MRF，精度水平1~0.5nm；離子束拋光技術(shù)IBF，精度水平0.2~0.1nm；等離子顆粒彈性發(fā)射加EEM0.1nm求。在精密光學(xué)制造領(lǐng)域一般認(rèn)為，沒(méi)有檢測(cè)就沒(méi)有加工，檢測(cè)到多高就能加工到多高。高端光刻機(jī)的投影光刻物鏡光學(xué)表面測(cè)試分為球面測(cè)試、非球面測(cè)試；表面加工的測(cè)試；和光學(xué)系統(tǒng)組裝后整體性能指標(biāo)測(cè)試。對(duì)于表面形成誤差檢測(cè)方法仍然使用高精度相移干涉儀和點(diǎn)干涉儀，非球面檢測(cè)精度達(dá)0.2nm。投影光刻機(jī)物鏡光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量在模擬光刻系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行，這樣的檢測(cè)臺(tái)幾乎可以看成是一個(gè)功能略微簡(jiǎn)化的高端光刻機(jī)。檢測(cè)與系統(tǒng)集成幾乎同步進(jìn)行。系統(tǒng)裝校是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。投影光刻物鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)與集成已經(jīng)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)靜態(tài)光學(xué)系統(tǒng)概念。設(shè)計(jì)，制造過(guò)程中要預(yù)留系統(tǒng)裝校所需要的補(bǔ)償表面，給予對(duì)補(bǔ)償表面的認(rèn)為制造誤差、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)那個(gè)誤差，以改善系統(tǒng)像質(zhì)。一般還要預(yù)留系統(tǒng)鏡片總數(shù)的1/5~1/6過(guò)程中分辨率降低。表面去除加工的分辨率必須達(dá)到原子或分子級(jí)水平。夏然高端光刻物鏡光0.1nm?，F(xiàn)代光學(xué)制造工程主體技術(shù)群應(yīng)該包括以下學(xué)科或?qū)ｍ?xiàng)技術(shù)：現(xiàn)代光學(xué)制造系統(tǒng)工程技術(shù)；現(xiàn)代光學(xué)制造控制技術(shù)；現(xiàn)代光學(xué)制造信息技術(shù)；工程創(chuàng)新理論；現(xiàn)代光學(xué)工程設(shè)計(jì)理論；現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試加工；現(xiàn)代光學(xué)薄膜工程；現(xiàn)代光電與光子器件；先進(jìn)制造技術(shù)與先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)；光學(xué)材料技術(shù)與工程；現(xiàn)代光學(xué)制造工程管理；數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造等等。從現(xiàn)代光學(xué)制造工程總體集成的角度看，列在“主體技術(shù)群”中的各單項(xiàng)專業(yè)，有一類來(lái)自既有科學(xué)，其中比較經(jīng)典或成熟一些的例如：薄膜光學(xué)，光學(xué)測(cè)試工程學(xué)”的高度來(lái)研究，以便更好的服務(wù)于現(xiàn)