一個研究小組公布了一項創(chuàng)新技術(shù),利用同時運行的磁性微型旋轉(zhuǎn)機器人進行超精密表面拋光和清潔。這些微型機器人能夠去除和拋光納米級污染物,為半導體和光學等先進行業(yè)提供了一種輕便、可擴展且經(jīng)濟高效的替代方案。
該團隊的研究成果發(fā)表在《小型結(jié)構(gòu)》雜志上,強調(diào)了磁性軟機器人革新精密制造業(yè)的潛力。研究人員由韓國科學技術(shù)院(KAIST)的SanhaKim教授和漢陽大學的JeongJae(JJ)Wie教授領(lǐng)導。
在度半導體的生產(chǎn)中,實現(xiàn)金屬層的超低表面粗糙度對于器件性能至關(guān)重要。即使是微小的瑕疵也會導致缺陷,從而降低電子元件的效率和可靠性。
此外,確保制造過程中表面無污染物對于避免引入可能損害設(shè)備功能的顆粒至關(guān)重要。為了滿足這些嚴格的要求,超精密拋光和清潔技術(shù)已成為半導體制造中的關(guān)鍵組成部分。
傳統(tǒng)方法,例如化學機械平坦化(CMP)和CMP后清潔系統(tǒng),一直是表面平坦化和污染物去除的行業(yè)標準。然而,這些系統(tǒng)存在重大缺陷。CMP設(shè)備不僅龐大而復雜,而且極其昂貴,難以擴展或升級。
此外,這些工藝中使用的耗材(例如拋光墊、研磨漿和清潔刷)價格昂貴,需要頻繁更換,從而增加了運營費用。高昂的前期成本和持續(xù)的維護要求,對旨在降低生產(chǎn)成本并提高產(chǎn)量的制造商來說是一個重大挑戰(zhàn)。
為了應對這些挑戰(zhàn),研究團隊開發(fā)了“旋轉(zhuǎn)機器人”,這是一種由外部磁場驅(qū)動的微型機器人,可進行超精密表面拋光和清潔。旋轉(zhuǎn)機器人由熱塑性聚氨酯-Fe3O4納米復合材料制成,由磁力攪拌器控制,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。
這種裝置雖然比傳統(tǒng)設(shè)備小得多、簡單得多,但能夠讓旋轉(zhuǎn)機器人在表面上自主旋轉(zhuǎn)和樞轉(zhuǎn),在去除納米級污染物時可實現(xiàn)99.6%的出色清潔效率。除了清潔能力之外,這些機器人還可以將表面打磨到驚人的光滑度,達到平均粗糙度(Ra)1.8納米的粗糙度水平。
這項技術(shù)真正具有突破性的是它能夠同時操作多個旋轉(zhuǎn)機器人。多達42個旋轉(zhuǎn)機器人在三個垂直堆疊的晶圓上協(xié)同工作,為表面工程提供了前所未有的可擴展性和效率。盡管規(guī)模很小,但旋轉(zhuǎn)機器人系統(tǒng)比傳統(tǒng)的拋光工具輕1,000倍,但可提供相當甚至更好的結(jié)果。
此外,旋轉(zhuǎn)機器人能夠進行三體磨蝕拋光。在此過程中,旋轉(zhuǎn)機器人和被拋光表面之間會捕獲堅硬的二氧化硅顆粒,以納米級精度逐漸去除材料。這種方法可產(chǎn)生鏡面般光滑的表面,可與離子束拋光和磁流變拋光等最先進的技術(shù)相媲美,但成本和設(shè)備尺寸僅為后者的一小部分。
通過多個Spinbot操作實現(xiàn)多層工藝的可擴展性。圖片來源:H.Je等人,《小型結(jié)構(gòu)》(2024年)。DOI:10.1002/sstr.202400245
旋轉(zhuǎn)機器人技術(shù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是其可持續(xù)性。傳統(tǒng)的拋光和清潔方法需要大量能源,并且經(jīng)常使用危險化學品。相比之下,旋轉(zhuǎn)機器人由磁場驅(qū)動,無需使用此類化學品,減少了對環(huán)境的影響。此外,機器人可重復使用,進一步增強了該技術(shù)的可持續(xù)性。
研究團隊設(shè)想未來將旋轉(zhuǎn)機器人技術(shù)集成到自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中,以更低的成本和最小的環(huán)境影響提供超精密制造能力。這一突破代表著向自主制造邁出了重要一步,這些微型機器人可用于從半導體到光學等各種應用。
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