Ultra{0}}natančno poliranje se na splošno nanaša na uporabo abrazivnih mikrodelcev z velikostjo delcev le nekaj nanometrov kot abrazivov za poliranje, ki se vbrizgajo v orodje za lepanje, da se odstranijo majhne količine materiala obdelovanca, s čimer se doseže določena geometrijska natančnost in hrapavost površine. Takšna izjemno visoka natančnost poliranja predstavlja večje izzive za tehnike poliranja, opremo in materiale.
V sodobni elektroniki ultra{0}}natančno poliranje ni le naloga planarizacije različnih materialov, temveč tudi planarizacije več-slojnih nizov, kar omogoča, da silicijeva rezina, velika le nekaj kvadratnih milimetrov, tvori ultra-velika-integrirana vezja, sestavljena iz več deset tisoč do milijonov tranzistorjev z "globalno planarizacijo". Na primer, dejstvo, da so se računalniki zmanjšali z več deset ton na le nekaj sto gramov, ne bi bilo mogoče brez ultra-natančnega poliranja.
Trenutno imajo Japonska, Združene države in Nemčija vodilne položaje na področju ultra{0}}natančnih obdelovalnih strojev. Nadzirajo temeljne tehnologije ultra-natančnih postopkov poliranja in trdno obvladujejo pobudo svetovnega trga. V nasprotju s tem se kitajski razvoj tehnologije ultra-preciznega poliranja sooča z določenimi omejitvami. Zato je vprašanje, kako premagati tehnična ozka grla pri ultra-natančnem poliranju, postalo osrednja točka skrbi na kitajskem področju lepanja in poliranja.
01 Oprema – Blokirana
Visoko-natančno poliranje se običajno uporablja na vrhunskih-področjih, kot so optika, polprevodniki in letalstvo, kjer je potrebna izredna natančnost oblike, dimenzijska natančnost in celovitost površine (brez ali minimalne poškodbe površine, vključno z mikro-razpokami, preostalimi napetostmi in mikrostrukturnimi spremembami). To postavlja izjemno visoke zahteve za opremo za poliranje.
Da bi zagotovili natančnost poliranja, oprema za ultra{0}}natančno poliranje zahteva tudi zelo stabilne mehanske strukture. "Polirna plošča" – osrednji sestavni del opreme – postavlja še strožje zahteve glede materialne sestave in tehnologije. Ta plošča, izdelana iz specializiranih kompozitnih materialov, ne sme le izpolnjevati natančnosti v nanometrskem merilu za avtomatizirane operacije, temveč mora imeti tudi natančno nadzorovan koeficient toplotnega raztezanja, ki preprečuje, da bi toplota, ki nastane zaradi trenja med vrtenjem pri visoki-hitrosti, povzročila toplotno deformacijo plošče, kar bi sicer vplivalo na stabilnost natančnosti obdelave in končno na ravnost in vzporednost izdelka. Na splošno je treba za doseganje pod-mikronske ali celo nanometrske natančnosti poliranja toplotno deformacijo plošče nadzorovati v nekaj nanometrih.
Trenutno so visoko{0}}natančne polirne plošče večinoma-izdelane po meri in ne množično-proizvedene, kar neposredno omejuje razmnoževanje zunaj držav, kot sta ZDA in Japonska. Tako te države trdno držijo proizvodno tehnologijo za visoko{6}}natančne plošče. Kitajska se že dolgo sooča s strogim tehnološkim embargom. Vprašanja, kateri materiali in postopki lahko sintetizirajo takšne plošče z nizkim toplotnim raztezkom, visoko odpornostjo proti obrabi in ultra{9}}natančnimi površinami za prekrivanje, so tehnični izzivi, na reševanje katerih se morajo osredotočiti kitajska podjetja in raziskovalni inštituti.
Poleg tega je domača oprema na splošno zmožna za optične komponente z majhno- do srednje{1}}zaslonko (pod 200 mm). Vendar pa na področju ultra-preciznih brusilnih strojev s srednje{4}} do veliko-odprtino (nad 400 mm) trenutno na Kitajskem ni komercialno uspešne domače opreme. To pomeni, da za zrcala velikega-premera, ki se uporabljajo v astronomskih teleskopih, napravah za lasersko fuzijo in EUV litografskih strojih, še vedno ne moremo opraviti stopnje brušenja. Kakšno je mednarodno stanje---tehnike? Cranfield OGM2500 iz Združenega kraljestva ima največji premer obdelave 2,5 metra. Strojno orodje BOX iz Združenega kraljestva, ki se uporablja za obdelavo 1,45-metrskih zrcal za evropski izjemno velik teleskop, dosega natančnost oblike površine PV < 1 μm s proizvodnim ciklom enega kosa manj kot 20 ur. Nemški OptoTech UPG500 ima najvišjo komercialno zrelost.
02 Materiali – še vedno odvisni od uvoza
Če za primer vzamemo CMP (Chemical Mechanical Polishing/Planarization), je CMP z razvojem naprednih procesnih vozlišč in naprednega pakiranja postopoma opustil svojo tradicionalno pomožno vlogo in postal četrti osrednji postopek v proizvodnji integriranih vezij, poleg litografije, jedkanja in nanašanja tankih{0}}slojev. V kontekstu nenehnega prilagajanja na napredna vozlišča in tri-dimenzionalne arhitekture je CMP postal kritičen korak, ki vpliva na globalno ravnost rezin in izkoristek procesa.
Osnovni materiali za CMP vključujejo gošče in polirne blazinice. Med njimi je gošča ključni medij, ki določa kakovost obdelave CMP in stopnjo odstranjevanja, medtem ko ima polirna blazinica ključno vlogo kot fizični medij in element prenosa napetosti med postopkom CMP. Obstaja veliko vrst gošč, ki predstavljajo več kot 50 % vrednosti materialov za poliranje, njihova poraba pa se povečuje z izhodom rezin in številom korakov planarizacije CMP.
Polirni materiali CMP predstavljajo izjemno visoke tehnične ovire. Zaradi poznega začetka Kitajske na tem področju so čezmorski velikani že dolgo imeli monopol nad glavnimi patenti. Formulacije gnojevke so zapletene, cikli raziskav in razvoja ter validacije so dolgotrajni, proizvodni procesi in zahteve za nadzor procesov pa stroge. Poleg tega so -abrazivni delci visoke čistosti dolgo odvisni od uvoza, glavna dobavna veriga na zgornjem delu verige pa ostaja pod nadzorom tujih podjetij.
Abrazivni delci so osnovna surovina za gošče; glavni izdelki vključujejo delce ceria, silicijevega dioksida in aluminijevega oksida. En raziskovalec je ugotovil, da je za zrele 28-nm procese čipov domača zamenjava teoretično dosegljiva na domačem trgu, vendar se za naprednejša vozlišča dobava abraziva še vedno sooča z izzivi, ki neposredno vplivajo na nadzor kovinskih nečistoč v gnojevki.
Tu smo spet v blokadi.
03 Procesne tehnologije – še vedno v poskusni fazi
(1) Magnetorheološka končna obdelava (MRF)
Magnetoreološka končna obdelava je napredna optična proizvodna tehnologija, razvita v tujini v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, QED (ZDA) pa jo je začela komercializirati leta 1997. Ta tehnika uporablja reološke lastnosti magnetoreološke tekočine v magnetnem polju za poliranje obdelovancev. Ko tekočina vstopi v polirno cono, se pod magnetnim poljem spremeni v viskoplastični medij in tvori "fleksibilno polirno blazinico". Stik z optično površino ustvarja znatno strižno napetost, ki omogoča stabilno odstranjevanje materiala za poliranje in oblikovanje. Učinkovito izpolnjuje zahteve, kot so visoka natančnost obdelave, hitra konvergenca, dobra kakovost površine, majhne poškodbe pod površino in nadzorovane srednje- in visoko-prostorske-frekvenčne napake. Široko se uporablja za sferične leče, asferične leče, prizme, površine prostih oblik itd.
(2) Ion Beam Figuring (IBF)
Trend asferične optične obdelave z veliko{0}}zaslonko je večji odklon, strmejši nakloni in večja natančnost. V ta namen je Eastman Kodak (ZDA) predlagal figuriranje ionskega žarka. Ta tehnika, ki se izvaja v vakuumski komori, uporablja ionski žarek z definirano energijsko in prostorsko porazdelitvijo za bombardiranje zrcalne površine. Odstranitev materiala poteka z brez-kontaktnim odlaganjem energije, kar ponuja novo tehnološko možnost za visoko-natančno oblikovanje velikih asferic. Zaradi svoje visoke natančnosti izračunavanja in odsotnosti podpovršinskih poškodb je skupaj z MRF splošno priznana kot ena od dveh najbolj inovativnih tehnologij optične obdelave, razvitih v zadnjih tridesetih letih.
(3) Kemijsko mehansko poliranje/planarizacija (CMP)
CMP je trenutno edina tehnologija planarizacije, ki lahko doseže tako globalno kot lokalno ravnost površine. Prvič ga je predlagal Monsanto (ZDA) leta 1965, vendar se je sprva uporabljal le za pridobivanje visoko{2}}kakovostnih steklenih površin, na primer za vojaške teleskope. Pozneje so ga podjetja, kot so IBM, Intel in Applied Materials, postopoma prevzela v proizvodnji polprevodnikov, ker edinstveno združuje kemično korozijo in mehansko abrazijo, zmanjšuje variacije procesov in proizvaja nanometrske planarizirane površine.
Na področju ultra{0}}natančnega poliranja imajo tuje države – zlasti Japonska, Nemčija in Združene države – pomembne prednosti. Kar zadeva ravni opreme in procesov, so te države že dosegle nanometrsko-natančnost poliranja, medtem ko Kitajska še vedno do določene mere zaostaja za mednarodno napredno ravnjo.