Ultra{0}}precizno poliranje općenito se odnosi na upotrebu abrazivnih mikročestica s veličinom čestica od samo nekoliko nanometara kao abraziva za poliranje, koji se ubrizgavaju u alat za lepljenje kako bi se uklonile male količine materijala obratka, čime se postiže određena geometrijska točnost i hrapavost površine. Takva iznimno visoka preciznost poliranja nameće veće izazove tehnikama poliranja, opremi i materijalima.
U modernoj elektronici, ultra{0}}precizno poliranje ima zadatak ne samo planarizirati različite materijale, već i planarizirati više-slojne hrpe, omogućujući silicijskoj ploči od samo nekoliko kvadratnih milimetara da formira ultra-velike-integrirane sklopove sastavljene od desetaka tisuća do milijuna tranzistora kroz "globalnu planarizaciju". Na primjer, činjenica da su se računala smanjila s desetaka tona na samo nekoliko stotina grama ne bi bila moguća bez ultra-preciznog poliranja.
Trenutačno Japan, Sjedinjene Države i Njemačka drže vodeće pozicije u ultra{0}}preciznim alatnim strojevima. Oni kontroliraju temeljne tehnologije ultra-preciznih procesa poliranja i čvrsto upravljaju globalnom tržišnom inicijativom. Nasuprot tome, kineski razvoj tehnologije ultra-preciznog poliranja suočava se s određenim ograničenjima. Stoga je pitanje kako prevladati tehnička uska grla u ultra-preciznom poliranju postalo središnja točka zabrinutosti u kineskom polju lapiranja i poliranja.
01 Oprema – Blokirana
Visoko{0}}precizno poliranje obično se koristi u vrhunskim-poljima kao što su optika, poluvodiči i zrakoplovstvo, gdje je potrebna ekstremna točnost oblika, dimenzionalna preciznost i cjelovitost površine (nema ili minimalno oštećenje površine, uključujući mikro-pukotine, zaostala naprezanja i mikrostrukturne promjene). Ovo postavlja izuzetno visoke zahtjeve za opremu za poliranje.
Kako bi se osigurala preciznost poliranja, oprema za ultra{0}}precizno poliranje također zahtijeva vrlo stabilne mehaničke strukture. "Polirna ploča" – ključna komponenta opreme – nameće još strože zahtjeve za sastav materijala i tehnologiju. Ova ploča, izrađena od specijaliziranih kompozitnih materijala, ne samo da mora zadovoljiti preciznost nanomjere za automatizirane operacije, već mora imati i precizno kontrolirani koeficijent toplinske ekspanzije, sprječavajući da toplina stvorena trenjem tijekom-rotacije velikom brzinom uzrokuje toplinsku deformaciju ploče, što bi inače utjecalo na stabilnost točnosti obrade i konačno na ravnost i paralelnost proizvoda. Općenito, da bi se postigla sub{5}}mikronska ili čak nanometarska točnost poliranja, toplinska deformacija ploče mora se kontrolirati unutar nekoliko nanometara.
Trenutno se visoko{0}}precizne ploče za poliranje uglavnom-izrađuju po narudžbi, a ne masovno-proizvode, što izravno ograničava replikaciju izvan zemalja poput SAD-a i Japana. Stoga ove nacije čvrsto drže proizvodnu tehnologiju za visoko-precizne ploče. Kina se dugo vremena suočavala sa strogim tehnološkim embargom. Pitanja koji materijali i procesi mogu sintetizirati takve ploče s niskim toplinskim širenjem, visokom otpornošću na habanje i ultra-preciznim površinama za preklapanje tehnički su izazovi na koje se kineska poduzeća i istraživački instituti moraju usredotočiti.
Osim toga, za male{0}} do srednje-otvore optičkih komponenti (ispod 200 mm), domaća oprema općenito je sposobna. Međutim, u području ultra-preciznih strojeva za brušenje srednjeg{4}} do velikog-otvora (iznad 400 mm) – trenutačno u Kini nema komercijalno održive domaće opreme. To znači da za zrcala velikog-promjera koja se koriste u astronomskim teleskopima, postrojenjima za lasersku fuziju i EUV litografskim strojevima još uvijek ne možemo proći fazu brušenja. Koje je međunarodno stanje---umetnosti? Cranfield OGM2500 iz Velike Britanije ima maksimalni promjer obrade od 2,5 metra. Alatni stroj BOX iz Ujedinjenog Kraljevstva, koji se koristi za obradu zrcala od 1,45 - metara za Europski ekstremno veliki teleskop, postiže točnost oblika površine PV < 1 μm, s proizvodnim ciklusom jednog komada od manje od 20 sati. Njemački OptoTech UPG500 ima najveću komercijalnu zrelost.
02 Materijali – još uvijek ovisni o uvozu
Uzimajući CMP (Chemical Mechanical Polishing/Planarization) kao primjer, s evolucijom naprednih procesnih čvorova i naprednog pakiranja, CMP je postupno izašao iz svoje tradicionalne pomoćne uloge i postao četvrti temeljni proces u proizvodnji integriranih sklopova, uz litografiju, jetkanje i taloženje tankog-filma. U kontekstu kontinuiranog skaliranja na napredne čvorove i tro-dimenzionalne arhitekture, CMP je postao kritičan korak koji utječe na globalnu ravnost pločice i prinos procesa.
Osnovni materijali za CMP uključuju kaše i jastučiće za poliranje. Među njima, kaša je ključni medij koji određuje kvalitetu CMP obrade i brzinu uklanjanja, dok jastučić za poliranje igra ključnu ulogu kao fizički medij i element prijenosa naprezanja tijekom CMP procesa. Postoje mnoge vrste kaša, koje čine više od 50% vrijednosti materijala za poliranje, a njihova potrošnja raste s izlazom pločica i brojem koraka planarizacije CMP-a.
CMP materijali za poliranje predstavljaju izuzetno visoke tehničke prepreke. Zbog kasnog početka Kine u ovom području, glavni patenti dugo su bili monopolizirani od strane prekomorskih divova. Formulacije gnojnice su složene, ciklusi istraživanja i razvoja i validacije su dugotrajni, a zahtjevi za proizvodnim procesima i kontrolom procesa rigorozni. Štoviše, abrazivne čestice visoke-čistoće dugo su se oslanjale na uvoz, a uzvodni glavni lanac opskrbe i dalje je pod kontrolom stranih tvrtki.
Abrazivne čestice osnovna su sirovina za mulj; glavni proizvodi uključuju čestice ceria, silicijevog dioksida i glinice. Jedan je istraživač primijetio da je za zrele procese čipova od 28 nm domaća zamjena teoretski moguća na domaćem tržištu, ali za naprednije čvorove, opskrba abrazivom još uvijek se suočava s izazovima, koji izravno utječu na kontrolu metalnih nečistoća u kaši.
Evo opet smo u blokadi.
03 Procesne tehnologije – još uvijek u probnoj fazi
(1) Magnetorheološka završna obrada (MRF)
Magnetoreološka završna obrada je napredna tehnologija optičke proizvodnje razvijena u inozemstvu 1980-ih, a QED (SAD) ju je počeo komercijalizirati 1997. Ova tehnika koristi reološka svojstva magnetoreološke tekućine u magnetskom polju za poliranje izradaka. Kada tekućina uđe u zonu za poliranje, transformira se u viskoplastični medij pod magnetskim poljem, formirajući "fleksibilnu podlogu za poliranje". Kontakt s optičkom površinom stvara značajno smično naprezanje, omogućujući stabilno uklanjanje materijala za poliranje i oblikovanje. Učinkovito ispunjava zahtjeve kao što su visoka točnost obrade, brza konvergencija, dobra kvaliteta površine, nisko oštećenje ispod površine i kontrolirane srednje- i visoke-prostorne-greške frekvencije. Široko je primjenjiv na sferične leće, asferične leće, prizme, površine slobodnog oblika itd.
(2) Ion Beam Figuring (IBF)
Trend u-asferičnoj optičkoj obradi s velikim otvorom blende ide prema većem odstupanju, strmijim nagibima i većoj preciznosti. Kako bi se to ispunilo, Eastman Kodak (SAD) predložio je izračunavanje ionskim snopom. Ova tehnika, koja se izvodi u vakuumskoj komori, koristi ionsku zraku s definiranom energetskom i prostornom raspodjelom za bombardiranje površine zrcala. Uklanjanje materijala događa se putem be-kontaktnog odlaganja energije, nudeći novu tehnološku opciju za visoko-precizno oblikovanje velikih asferičnih oblika. Zahvaljujući visokoj točnosti izračunavanja i bez površinskih oštećenja, ona je, uz MRF, naširoko prepoznata kao jedna od dvije najinovativnije tehnologije optičke obrade razvijene u posljednjih trideset godina.
(3) Kemijsko mehaničko poliranje/planarizacija (CMP)
CMP je trenutno jedina tehnologija planarizacije koja može postići i globalnu i lokalnu ravnost površine. Prvi ga je predložio Monsanto (SAD) 1965., ali u početku se primjenjivao samo za dobivanje visoko{2}}kvalitetnih staklenih površina, kao što su vojni teleskopi. Kasnije, budući da na jedinstven način kombinira kemijsku koroziju i mehaničku abraziju, smanjujući varijacije procesa i proizvodeći planarizirane površine u nanoskali, tvrtke poput IBM-a, Intela i Applied Materials postupno su ga usvojile u proizvodnji poluvodiča.
Na polju ultra{0}}preciznog poliranja strane zemlje – posebno Japan, Njemačka i Sjedinjene Države – imaju značajne prednosti. U pogledu opreme i razina procesa, te su nacije već postigle nanometarsku-preciznost poliranja, dok Kina još uvijek u određenoj mjeri zaostaje za međunarodnom naprednom razinom.