Ultra{0}}presné leštenie vo všeobecnosti označuje použitie brúsnych mikročastíc s veľkosťou častíc len niekoľko nanometrov ako leštiacich brúsiv, ktoré sa vstrekujú do lapovacieho nástroja, aby sa odstránili nepatrné množstvá materiálu obrobku, čím sa dosiahne špecifikovaná geometrická presnosť a drsnosť povrchu. Takáto extrémne vysoká presnosť leštenia kladie väčšie nároky na techniky leštenia, vybavenie a materiály.
V modernej elektronike je mimoriadne{0}}presné leštenie určené nielen na planarizáciu rôznych materiálov, ale aj na planarizáciu viac{1}}vrstvových vrstiev, čo umožňuje z kremíkového plátku s veľkosťou len niekoľko milimetrov štvorcových vytvárať extrémne-veľké- integrované obvody zložené z desiatok tisíc až miliónov tranzistorov prostredníctvom „globálnej planárnej“. Napríklad skutočnosť, že počítače sa zmenšili z desiatok ton na niekoľko stoviek gramov, by nebola možná bez mimoriadne-presného leštenia.
Japonsko, Spojené štáty americké a Nemecko majú v súčasnosti vedúce pozície v oblasti ultra{0}}presných obrábacích strojov. Ovládajú základné technológie ultra-precíznych procesov leštenia a pevne velia iniciatíve globálneho trhu. Naproti tomu čínsky rozvoj technológie ultra-presného leštenia čelí určitým obmedzeniam. Preto sa otázka, ako prekonať technické prekážky pri ultra-presnom leštení, stala ústredným bodom záujmu v oblasti lapovania a leštenia v Číne.
01 Vybavenie – blokované
Vysoko{0}}presné leštenie sa zvyčajne používa v špičkových{1}}oblastiach, ako je optika, polovodiče a kozmonautika, kde sa vyžaduje extrémna tvarová presnosť, rozmerová presnosť a integrita povrchu (žiadne alebo minimálne poškodenie povrchu vrátane mikro-trhlín, zvyškového napätia a mikroštrukturálnych zmien). To kladie mimoriadne vysoké nároky na leštiace zariadenia.
Aby sa zaistila presnosť leštenia, mimoriadne{0}}precízne leštiace zariadenia vyžadujú aj veľmi stabilné mechanické štruktúry. „Leštiaca doska“ – základná súčasť zariadenia – kladie ešte prísnejšie požiadavky na materiálové zloženie a technológiu. Táto doska vyrobená zo špecializovaných kompozitných materiálov musí spĺňať nielen presnosť nanometrov pre automatizované operácie, ale musí mať aj presne riadený koeficient tepelnej rozťažnosti, ktorý bráni teplu generovanému trením pri vysokorýchlostnej rotácii, aby spôsobilo tepelnú deformáciu dosky, ktorá by inak ovplyvnila stabilitu presnosti obrábania a v konečnom dôsledku aj rovinnosť a rovnobežnosť produktu. Vo všeobecnosti platí, že na dosiahnutie sub{5}}mikrónovej alebo dokonca nanometrovej presnosti leštenia musí byť tepelná deformácia dosky kontrolovaná v rozmedzí niekoľkých nanometrov.
V súčasnosti sa vysoko{0}}presné leštiace platne väčšinou vyrábajú na zákazku-a nie hromadne{2}}vyrábané, čo priamo obmedzuje replikáciu mimo krajín, ako sú USA a Japonsko. Tieto krajiny teda pevne držia technológiu výroby vysoko presných platní-. Čína dlhodobo čelila prísnym technologickým embargám. Otázky, aké materiály a procesy dokážu syntetizovať takéto platne s nízkou tepelnou rozťažnosťou, vysokou odolnosťou proti opotrebeniu a ultra{9}}precíznym lapovacím povrchom, sú technickými výzvami, na ktorých riešenie sa musia čínske podniky a výskumné ústavy sústrediť.
Navyše, pre malé- až stredné-optické komponenty (menej ako 200 mm) sú domáce zariadenia vo všeobecnosti schopné. Avšak v oblasti ultrapresných brúsok so stredným- až veľkým-otvorom (nad 400 mm) (nad 400 mm) – v súčasnosti v Číne neexistuje žiadne komerčne životaschopné domáce zariadenie. To znamená, že v prípade zrkadiel s veľkým{9}}priemerom používaných v astronomických ďalekohľadoch, zariadeniach na laserovú fúziu a EUV litografických strojoch stále nemôžeme prejsť fázou brúsenia. Aký je{11}}medzinárodný stav{12}}-umenia? Britský Cranfield OGM2500 má maximálny priemer obrábania 2,5 metra. Obrábací stroj BOX v Spojenom kráľovstve, ktorý sa používa na spracovanie 1,45-metrových zrkadiel pre európsky extrémne veľký teleskop, dosahuje presnosť tvaru povrchu PV < 1 μm s výrobným cyklom jedného kusu menej ako 20 hodín. Najvyššiu komerčnú vyspelosť má nemecký OptoTech UPG500.
02 Materiály – stále závislé od dovozu
Ak si vezmeme príklad CMP (Chemical Mechanical Polishing/Planarization), s vývojom pokročilých procesných uzlov a pokročilého balenia, CMP sa postupne vymanila zo svojej tradičnej pomocnej úlohy a stala sa štvrtým základným procesom vo výrobe integrovaných obvodov popri litografii, leptaní a nanášaní tenkých{0}}fólií. V kontexte pokračujúceho škálovania na pokročilé uzly a trojrozmerné architektúry sa CMP stala kritickým krokom ovplyvňujúcim globálnu plochosť plátku a výnos procesu.
Medzi základné materiály pre CMP patria kaše a leštiace vankúšiky. Spomedzi nich je suspenzia kľúčovým médiom určujúcim kvalitu spracovania CMP a rýchlosť odstraňovania, zatiaľ čo leštiaci vankúšik hrá kľúčovú úlohu ako fyzikálne médium a prvok na prenos napätia počas procesu CMP. Existuje mnoho druhov kalov, ktoré tvoria viac ako 50 % hodnoty leštiacich materiálov a ich spotreba rastie s výstupom plátku a počtom krokov planarizácie CMP.
Leštiace materiály CMP predstavujú extrémne vysoké technické bariéry. Kvôli neskorému začiatku Číny v tejto oblasti boli hlavné patenty dlho monopolizované zámorskými gigantmi. Formulácie kalov sú zložité, cykly výskumu, vývoja a validácie sú zdĺhavé a výrobné procesy a požiadavky na kontrolu procesov sú prísne. Okrem toho-brúsne častice s vysokou čistotou sú už dlho závislé od dovozu a hlavný dodávateľský reťazec je naďalej kontrolovaný zahraničnými spoločnosťami.
Abrazívne častice sú základnou surovinou pre kaly; medzi hlavné produkty patria častice céru, oxidu kremičitého a oxidu hlinitého. Jeden výskumník poznamenal, že pre zrelé 28 nm čipové procesy je domáca substitúcia teoreticky dosiahnuteľná na domácom trhu, ale pre pokročilejšie uzly stále čelí dodávka abrazíva výzvam, ktoré priamo ovplyvňujú kontrolu kovových nečistôt v suspenzii.
Tu sme opäť zablokovaní.
03 Procesné technológie – stále v skúšobnej fáze
(1) Magnetoreologická úprava (MRF)
Magnetoreologická úprava je pokročilá technológia výroby optiky vyvinutá v zahraničí v 80. rokoch a spoločnosť QED (USA) ju začala komercializovať v roku 1997. Táto technika využíva reologické vlastnosti magnetoreologickej kvapaliny v magnetickom poli na leštenie obrobkov. Keď kvapalina vstúpi do leštiacej zóny, premení sa pod magnetickým poľom na viskoplastické médium a vytvorí „flexibilnú leštiacu podložku“. Kontakt s optickým povrchom vytvára značné šmykové napätie, čo umožňuje stabilný úber materiálu pre leštenie a tvarovanie. Účinne rieši požiadavky, ako je vysoká presnosť obrábania, rýchla konvergencia, dobrá kvalita povrchu, nízke podpovrchové poškodenie a kontrolovateľné chyby strednej- a vysokej-priestorovej{7}}frekvencie. Je široko použiteľný pre sférické šošovky, asférické šošovky, hranoly, povrchy voľného tvaru atď.
(2) Zobrazovanie iónovým lúčom (IBF)
Trend v oblasti asférického optického spracovania{0}}smeruje k vyššej odchýlke, strmším sklonom a vyššej presnosti. Aby sa to splnilo, Eastman Kodak (USA) navrhol zobrazenie iónového lúča. Táto technika vykonávaná vo vákuovej komore využíva iónový lúč s definovanou energiou a priestorovým rozložením na bombardovanie povrchu zrkadla. Odstraňovanie materiálu prebieha prostredníctvom -dotykového nanášania energie, čo ponúka novú technologickú možnosť pre vysoko presné tvarovanie veľkých asférických útvarov. Vďaka svojej vysokej presnosti figurovania a žiadnemu podpovrchovému poškodeniu je spolu s MRF všeobecne uznávaná ako jedna z dvoch najinovatívnejších technológií optického spracovania vyvinutých za posledných tridsať rokov.
(3) Chemické mechanické leštenie/planarizácia (CMP)
CMP je v súčasnosti jedinou planarizačnou technológiou, ktorá dokáže dosiahnuť globálnu aj lokálnu rovinnosť povrchu. Prvýkrát ho navrhla spoločnosť Monsanto (USA) v roku 1965, ale spočiatku sa používal len na získavanie-kvalitných sklenených povrchov, napríklad pre vojenské teleskopy. Neskôr, pretože jedinečne kombinuje chemickú koróziu a mechanickú abráziu, znižuje procesné variácie a vyrába nanoúrovňové planarizované povrchy, spoločnosti ako IBM, Intel a Applied Materials ho postupne prijali do výroby polovodičov.
V oblasti ultra{0}}presného leštenia majú zahraničné krajiny – najmä Japonsko, Nemecko a Spojené štáty americké – značné výhody. Pokiaľ ide o úroveň vybavenia a procesov, tieto krajiny už dosiahli presnosť leštenia na-nanometrovej úrovni, zatiaľ čo Čína do určitej miery stále zaostáva za medzinárodnou pokročilou úrovňou.