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)的觀點和方法為基點，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?，F(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。人類社會對于宇宙和大自然的永無止境的探索牽引了“一大”制造不斷發(fā)展。不斷細(xì)化的納米制造技術(shù)，一步步把人類社會帶入原子、分子科學(xué)技術(shù)的“一小”時代。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?，F(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)制造工程成為推動天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡計劃和空間望遠(yuǎn)鏡計劃發(fā)展的環(huán)節(jié)，創(chuàng)新是推動大型光學(xué)制造工程發(fā)展的基本源泉，人類對于宇宙的探索沒有終點，大型光學(xué)制造工程的發(fā)展永無止境。NIF工程計劃相當(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投影光刻系統(tǒng)成像、轉(zhuǎn)移到硅片上。它在以下幾個方面不同于傳統(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；光科技術(shù)通過多層二維結(jié)構(gòu)疊加而形成三維結(jié)構(gòu)；光刻技術(shù)一次形成整個系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工行程單個點、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“芯片實驗室”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一個自下而上生長起來。分子自組裝技術(shù)在大多數(shù)情況下也要以來自上而下的微納米加工技術(shù)提供組裝平臺或控制手段，使分子按照某一特定的排列圖形生長。探針工藝的概念可以說是傳統(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的氧化成結(jié)構(gòu)，或通過“點墨法”將分子液體傳遞到固體表面次年工程納米量級的單分子層點陣或圖形。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，沒有檢測就沒有加工，檢測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)表面測試分為球面測試、非球面測試；表面加工的測試；和光學(xué)系統(tǒng)組裝后整體性能指標(biāo)測試。對于表面形成誤差檢測方法仍然使用高精度相移干涉儀和點干涉儀，非球面檢測精度達(dá)0.2nm。投影光刻機(jī)物鏡光學(xué)系統(tǒng)測量在模擬光刻系統(tǒng)實際工作環(huán)境中進(jìn)行，這樣的檢測臺幾乎可以看成是一個功能略微簡化的高端光刻機(jī)。檢測與系統(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)，是一項嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。投影光刻物鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、制造、檢測與集成已經(jīng)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)靜態(tài)光學(xué)系統(tǒng)概念。設(shè)計，制造過程中要預(yù)留系統(tǒng)裝校所需要的補(bǔ)償表面，給予對補(bǔ)償表面的認(rèn)為制造誤差、動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)那個誤差，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椉夹g(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)計理論；現(xiàn)代光學(xué)測試加工；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”中的各單項專業(yè)，有一類來自既有科學(xué)，其中比較經(jīng)典或成熟一些的例如：薄膜光學(xué)，光學(xué)測試工程學(xué)”的高度來研究，以便更好的服務(wù)于現(xiàn)