Ultra-precisionspolering avser i allmänhet användningen av abrasiva mikropartiklar med partikelstorlekar på bara några få nanometer som polerande slipmedel, som injiceras i ett lappverktyg för att avlägsna små mängder av arbetsstyckets material och därigenom uppnå specificerad geometrisk noggrannhet och ytjämnhet. En sådan extremt hög poleringsprecision innebär större utmaningar för poleringstekniker, utrustning och material.
Inom modern elektronik har ultra-precisionspolering inte bara till uppgift att planarisera olika material utan också att planarisera fler-lagerstaplar, vilket gör det möjligt för en kiselskiva på bara några millimeters kvadrat att bilda ultra-stora-integrerade kretsar som består av tiotusentals till miljontals transistorer genom "." Till exempel skulle det faktum att datorer har krympt från dussintals ton till bara några hundra gram inte ha varit möjligt utan ultra-precisionspolering.
För närvarande har Japan, USA och Tyskland ledande positioner inom ultra-precisionsmaskiner. De kontrollerar kärnteknikerna för ultra-precisionspoleringsprocesser och styr det globala marknadsinitiativet. Däremot möter Kinas utveckling inom ultra-precisionspoleringsteknik vissa begränsningar. Därför har hur man kan övervinna de tekniska flaskhalsarna i ultra-precisionspolering blivit en fokuspunkt i Kinas lapp- och poleringsområde.
01 Utrustning – Blockad
Hög-precisionspolering används vanligtvis inom avancerade-områden som optik, halvledare och flyg, där extrem formnoggrannhet, dimensionell precision och ytintegritet (inga eller minimal ytskada, inklusive mikro-sprickor, kvarvarande spänningar och mikrostrukturella förändringar) krävs. Detta ställer extremt höga krav på polerutrustning.
För att säkerställa poleringsprecision kräver ultra-precisionspoleringsutrustning också mycket stabila mekaniska strukturer. "Polerplattan" – en kärnkomponent i utrustningen – ställer ännu strängare krav på materialsammansättning och teknik. Denna platta, gjord av specialiserade kompositmaterial, måste inte bara uppfylla nanoskala precision för automatiserade operationer utan också ha en exakt kontrollerad termisk expansionskoefficient, vilket förhindrar värme som genereras av friktion under höghastighetsrotation från att orsaka termisk deformation av plattan, vilket annars skulle påverka stabiliteten i bearbetningsnoggrannheten och i slutändan produktens parallellitet. I allmänhet, för att uppnå sub-mikron eller till och med nanometer poleringsnoggrannhet, måste den termiska deformationen av plattan kontrolleras inom några få nanometer.
För närvarande är hög-precisionspoleringsplattor mestadels specialtillverkade- snarare än mass-tillverkade, vilket direkt begränsar replikering utanför länder som USA och Japan. Dessa länder håller alltså fast på produktionstekniken för hög-precisionsplattor. Under lång tid har Kina mötts av strikta teknikembargon. Frågorna om vilka material och processer som kan syntetisera sådana plattor med låg termisk expansion, hög slitstyrka och ultra-överlappande ytor är tekniska utmaningar som kinesiska företag och forskningsinstitut måste koncentrera sig på att lösa.
Dessutom, för optiska komponenter med liten- till medelstor-öppning (under 200 mm) är hushållsutrustning i allmänhet kapabel. Men inom området för medel- till stor-öppning (över 400 mm) ultra-slipmaskiner – för närvarande finns det ingen kommersiellt gångbar hushållsutrustning i Kina. Det betyder att för speglar med stor-diameter som används i astronomiska teleskop, laserfusionsanläggningar och EUV-litografimaskiner, kan vi fortfarande inte klara slipstadiet. Vad är-den internationella-konstens-statistik? Storbritanniens Cranfield OGM2500 har en maximal bearbetningsdiameter på 2,5 meter. Storbritanniens BOX-maskinverktyg, som används för att bearbeta 1,45-meter speglar för European Extremely Large Telescope, uppnår ytformnoggrannhet PV < 1 μm, med en produktionscykel i ett stycke på under 20 timmar. Tysklands OptoTech UPG500 har den högsta kommersiella mognad.
02 Material – fortfarande beroende av import
Med CMP (Chemical Mechanical Polishing/Planarization) som ett exempel, med utvecklingen av avancerade processnoder och avancerad förpackning, har CMP gradvis brutit sig ur sin traditionella hjälproll och blivit den fjärde kärnprocessen inom tillverkning av integrerade kretsar, vid sidan av litografi, etsning och tunn{0}}filmavsättning. I samband med fortsatt skalning till avancerade noder och tre-dimensionella arkitekturer har CMP blivit ett kritiskt steg som påverkar wafers globala planhet och processutbyte.
Kärnmaterialen för CMP inkluderar slam och polerkuddar. Bland dem är uppslamningen nyckelmediet som bestämmer CMP-bearbetningskvalitet och borttagningshastighet, medan polerplattan spelar en avgörande roll som ett fysiskt medium och spänningsöverföringselement under CMP-processen. Det finns många typer av uppslamningar, som står för över 50 % av värdet på polermaterial, och deras förbrukning ökar med waferproduktion och antalet CMP-planariseringssteg.
CMP-polermaterial uppvisar extremt höga tekniska barriärer. På grund av Kinas sena start på detta område har kärnpatent länge monopoliserats av utländska jättar. Slamformuleringar är komplexa, FoU- och valideringscykler är långa och produktionsprocesser och processkontrollkrav är rigorösa. Dessutom har hög-slipande partiklar länge förlitat sig på import, och uppströms kärnförsörjningskedjan förblir kontrollerad av utländska företag.
Slipande partiklar är kärnråvaran för slurry; vanliga produkter inkluderar ceriumoxid, kiseldioxid och aluminiumoxidpartiklar. En forskare noterade att för mogna 28 nm-chipprocesser är inhemsk substitution teoretiskt möjlig på den inhemska marknaden, men för mer avancerade noder står utbudet av slipmedel fortfarande inför utmaningar, som direkt påverkar kontrollen av metallföroreningar i slammet.
Även här är vi blockerade.
03 Processteknik – fortfarande i testfasen
(1) Magnetorheological Finishing (MRF)
Magnetorheological finishing är en avancerad optisk tillverkningsteknik som utvecklades utomlands på 1980-talet och QED (USA) började kommersialisera den 1997. Denna teknik använder de reologiska egenskaperna hos magnetoreologisk vätska i ett magnetfält för att polera arbetsstycken. När vätskan kommer in i poleringszonen omvandlas den till ett viskoplastiskt medium under magnetfältet och bildar en "flexibel polerkudde". Kontakt med den optiska ytan genererar betydande skjuvspänning, vilket möjliggör stabil materialavlägsning för polering och figurering. Den hanterar effektivt krav som hög bearbetningsnoggrannhet, snabb konvergens, god ytkvalitet, låga skador under ytan och kontrollerbara medel- och hög-spatiala-fel. Det är allmänt tillämpbart på sfäriska linser, asfäriska linser, prismor, friformsytor etc.
(2) Ion Beam Figuring (IBF)
Trenden inom asfärisk bearbetning med stor-öppning går mot högre avvikelse, brantare sluttningar och högre precision. För att möta detta föreslog Eastman Kodak (USA) jonstrålefigurering. Denna teknik, utförd i en vakuumkammare, använder en jonstråle med definierad energi och rumslig fördelning för att bombardera spegelytan. Materialavlägsnande sker via-beröringsfri energiavsättning, vilket erbjuder ett nytt tekniskt alternativ för hög-precisionsberäkning av stora asfärer. På grund av sin höga figurnoggrannhet och inga skador under ytan, är den, tillsammans med MRF, allmänt erkänd som en av de två mest innovativa optiska bearbetningsteknologierna som utvecklats under de senaste trettio åren.
(3) Kemisk mekanisk polering/planarisering (CMP)
CMP är för närvarande den enda planariseringsteknologin som kan uppnå både global och lokal ytplanhet. Det föreslogs först av Monsanto (USA) 1965, men användes till en början bara för att erhålla glasytor av hög-kvalitet, till exempel för militärteleskop. Senare, eftersom det unikt kombinerar kemisk korrosion och mekanisk nötning, minskar processvariationer och producerar planariserade ytor i nanoskala, antog företag som IBM, Intel och Applied Materials det gradvis inom halvledartillverkning.
Inom området för ultra-precisionspolering har främmande länder – särskilt Japan, Tyskland och USA – betydande fördelar. När det gäller utrustning och processnivåer har dessa länder redan uppnått poleringsprecision på nanometer-nivå, medan Kina fortfarande släpar efter den internationella avancerade nivån i viss utsträckning.