Сверхточная полировка-обычно подразумевает использование абразивных микрочастиц размером всего несколько нанометров в качестве полирующих абразивов, которые впрыскиваются в притирочный инструмент для удаления незначительного количества материала заготовки, тем самым достигая заданной геометрической точности и шероховатости поверхности. Такая чрезвычайно высокая точность полировки налагает большие трудности на методы полировки, оборудование и материалы.
В современной электронике задача сверхточной полировки заключается не только в планаризации различных материалов, но и в выравнивании много-слойных стопок, что позволяет кремниевой пластине площадью всего несколько квадратных миллиметров формировать сверх-большие-интегральные схемы, состоящие из десятков тысяч и миллионов транзисторов, посредством "глобальной планаризации". Например, тот факт, что вес компьютеров уменьшился с десятков тонн до нескольких сотен граммов, был бы невозможен без сверх-точной полировки.
В настоящее время Япония, США и Германия занимают лидирующие позиции в производстве сверхточных станков. Они контролируют основные технологии процессов сверхточной полировки и твердо контролируют глобальную рыночную инициативу. Напротив, развитие в Китае технологии сверхточной полировки сталкивается с определенными ограничениями. Поэтому вопрос о том, как преодолеть технические трудности при сверхточной полировке, стал предметом озабоченности в области притирки и полировки в Китае.
01 Оборудование – заблокировано
Высокоточная-полировка обычно используется в-высокотехнологичных областях, таких как оптика, полупроводники и аэрокосмическая промышленность, где требуется исключительная точность формы, размерная точность и целостность поверхности (отсутствие или минимальное повреждение поверхности, включая микро-трещины, остаточное напряжение и микроструктурные изменения). Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к полировальному оборудованию.
Чтобы обеспечить точность полировки, сверхточное полировальное оборудование также требует очень стабильных механических конструкций. «Полировальный стол» – основной компонент оборудования – предъявляет еще более жесткие требования к составу материала и технологии. Эта плита, изготовленная из специализированных композитных материалов, должна не только соответствовать наноразмерной точности для автоматизированных операций, но также обладать точно контролируемым коэффициентом теплового расширения, предотвращающим возникновение тепловой деформации, выделяемой в результате трения во время -скоростного вращения, которая в противном случае могла бы повлиять на стабильность точности обработки и, в конечном итоге, на плоскостность и параллельность изделия. Обычно для достижения суб-точности полировки или даже нанометра термическую деформацию валика необходимо контролировать в пределах нескольких нанометров.
В настоящее время высокоточные-полировальные валики в основном изготавливаются-по индивидуальному заказу, а не массово-производятся, что напрямую ограничивает тиражирование за пределами таких стран, как США и Япония. Таким образом, эти страны твердо владеют технологией производства высокоточных валов. В течение долгого времени Китай сталкивался со строгим технологическим эмбарго. Вопросы о том, из каких материалов и процессов можно синтезировать такие плиты с низким тепловым расширением, высокой износостойкостью и сверхточными притирочными поверхностями, являются техническими проблемами, на решении которых должны сосредоточиться китайские предприятия и исследовательские институты.
Кроме того, для оптических компонентов с малой- и средней-апертурой (менее 200 мм) обычно подходит отечественное оборудование. Однако в области сверхточных шлифовальных станков со средней- и большой-апертурой (более 400 мм) в настоящее время в Китае нет коммерчески жизнеспособного отечественного оборудования. Это означает, что для зеркал большого-диаметра, используемых в астрономических телескопах, установках лазерного синтеза и машинах EUV-литографии, мы до сих пор не можем пройти стадию шлифовки. Каково международное состояние--современной- ситуации? Британский станок Cranfield OGM2500 имеет максимальный диаметр обработки 2,5 метра. Британский станок BOX, используемый для обработки зеркал диаметром 1,45-метра для Европейского Чрезвычайно Большого Телескопа, обеспечивает точность формы поверхности PV < 1 мкм при цикле производства единичных изделий менее 20 часов. Немецкий OptoTech UPG500 имеет наивысшую коммерческую зрелость.
02 Материалы – все еще зависят от импорта
Если взять в качестве примера CMP (химико-механическую полировку/планаризацию), то с развитием усовершенствованных технологических узлов и усовершенствованной упаковки CMP постепенно вышел из своей традиционной вспомогательной роли и стал четвертым основным процессом в производстве интегральных схем, наряду с литографией, травлением и осаждением тонких-пленок. В контексте продолжающегося масштабирования до продвинутых узлов и трехмерных архитектур CMP стал критически важным шагом, влияющим на глобальную неравномерность пластины и производительность процесса.
Основные материалы для CMP включают суспензии и полировальные подушечки. Среди них суспензия является ключевой средой, определяющей качество обработки и скорость удаления ХМП, а полировальная подушка играет решающую роль в качестве физической среды и элемента передачи напряжений во время процесса ХМП. Существует много типов суспензий, на долю которых приходится более 50% стоимости полирующих материалов, и их расход увеличивается с увеличением выпуска пластин и количества шагов планаризации ХМП.
Полировальные материалы CMP представляют собой чрезвычайно высокие технические барьеры. Из-за позднего начала работы Китая в этой области основные патенты уже давно монополизированы зарубежными гигантами. Рецептуры суспензий сложны, циклы исследований, разработок и валидации длительны, а производственные процессы и требования к контролю процессов строгие. Более того, абразивные частицы высокой-чистоты уже давно импортируются, а основная цепочка поставок по-прежнему контролируется иностранными компаниями.
Абразивные частицы являются основным сырьем для суспензий; Основные продукты включают частицы церия, диоксида кремния и оксида алюминия. Один исследователь отметил, что для зрелых 28-нм процессов производства микросхем теоретически достижима внутренняя замена на внутреннем рынке, но для более совершенных узлов поставка абразива по-прежнему сталкивается с проблемами, которые напрямую влияют на контроль металлических примесей в суспензии.
И здесь мы снова в блокаде.
03 Технологические процессы – все еще на стадии испытаний
(1) Магнитореологическая обработка (MRF)
Магнитореологическая обработка — передовая технология оптического производства, разработанная за рубежом в 1980-е годы, а коммерциализация ее в компании QED (США) началась в 1997 году. Эта технология использует реологические свойства магнитореологической жидкости в магнитном поле для полировки заготовок. Когда жидкость попадает в зону полировки, она под действием магнитного поля превращается в вязкопластическую среду, образуя «гибкую полировальную подушку». Контакт с оптической поверхностью создает значительное напряжение сдвига, что обеспечивает стабильное удаление материала для полировки и фигурной обработки. Он эффективно удовлетворяет такие требования, как высокая точность обработки, быстрая сходимость, хорошее качество поверхности, низкий уровень повреждения подповерхностных слоев и контролируемые средние- и высокие-пространственные-погрешности частоты. Он широко применим для сферических линз, асферических линз, призм, поверхностей произвольной формы и т. д.
(2) Ионно-лучевой расчет (IBF)
Тенденция в асферической оптической обработке с большой-апертурой направлена на большее отклонение, более крутые наклоны и более высокую точность. Чтобы решить эту проблему, компания Eastman Kodak (США) предложила метод ионно-лучевого моделирования. Этот метод, выполняемый в вакуумной камере, использует ионный луч с определенной энергией и пространственным распределением для бомбардировки поверхности зеркала. Удаление материала происходит посредством бесконтактного энерговыделения, что открывает новую технологическую возможность для высокоточного-профилирования крупных асферических изделий. Благодаря высокой точности расчета и отсутствию повреждения недр, она, наряду с MRF, широко признана одной из двух наиболее инновационных технологий оптической обработки, разработанных за последние тридцать лет.
(3) Химико-механическая полировка/планаризация (CMP)
CMP в настоящее время является единственной технологией планаризации, которая позволяет добиться как глобальной, так и локальной плоскостности поверхности. Впервые он был предложен компанией «Монсанто» (США) в 1965 году, но первоначально применялся только для получения стеклянных поверхностей высокого-качества, например, для военных телескопов. Позже, поскольку он уникальным образом сочетает в себе химическую коррозию и механическое истирание, уменьшая вариации процесса и создавая наноразмерные планаризованные поверхности, такие компании, как IBM, Intel и Applied Materials, постепенно внедрили его в производство полупроводников.
В области сверхточной полировки зарубежные страны, особенно Япония, Германия и США, имеют значительные преимущества. Что касается оборудования и уровня процессов, эти страны уже достигли точности полировки нанометрового-уровня, в то время как Китай все еще в определенной степени отстает от передового международного уровня.