Đánh bóng có độ chính xác cực cao thường đề cập đến việc sử dụng các vi hạt mài mòn có kích thước hạt chỉ vài nanomet làm chất mài mòn đánh bóng, được bơm vào dụng cụ mài để loại bỏ lượng vật liệu phôi nhỏ, từ đó đạt được độ chính xác hình học và độ nhám bề mặt được chỉ định. Độ chính xác đánh bóng cực kỳ cao như vậy đặt ra những thách thức lớn hơn đối với kỹ thuật, thiết bị và vật liệu đánh bóng.
Trong các thiết bị điện tử hiện đại, quá trình đánh bóng có độ chính xác cực cao không chỉ được thực hiện với việc làm phẳng các vật liệu khác nhau mà còn làm phẳng các ngăn xếp nhiều lớp, cho phép một tấm wafer silicon chỉ có vài milimet vuông tạo thành các mạch tích hợp quy mô cực lớn bao gồm hàng chục nghìn đến hàng triệu bóng bán dẫn thông qua "làm phẳng toàn cầu". Ví dụ: thực tế là máy tính đã giảm từ hàng chục tấn xuống chỉ còn vài trăm gram sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự đánh bóng-chính xác cực cao.
Hiện tại, Nhật Bản, Hoa Kỳ và Đức giữ vị trí dẫn đầu về các công cụ máy siêu chính xác. Họ kiểm soát các công nghệ cốt lõi của quy trình đánh bóng-có độ chính xác cực cao và nắm vững sáng kiến thị trường toàn cầu. Ngược lại, sự phát triển của công nghệ đánh bóng siêu chính xác-của Trung Quốc phải đối mặt với những hạn chế nhất định. Do đó, làm thế nào để khắc phục các nút thắt kỹ thuật trong quá trình đánh bóng có độ-siêu chính xác đã trở thành tâm điểm quan tâm trong lĩnh vực mài và đánh bóng của Trung Quốc.
01 Thiết bị – Bị phong tỏa
Đánh bóng có độ chính xác cao-thường được sử dụng trong các lĩnh vực-cao cấp như quang học, chất bán dẫn và hàng không vũ trụ, nơi yêu cầu độ chính xác hình dạng cực cao, độ chính xác về chiều và tính toàn vẹn bề mặt (không có hoặc có hư hại bề mặt ở mức tối thiểu, bao gồm các vết nứt-vi mô, ứng suất dư và các thay đổi cấu trúc vi mô). Điều này đặt ra yêu cầu rất cao về thiết bị đánh bóng.
Để đảm bảo độ chính xác khi đánh bóng, thiết bị đánh bóng có độ chính xác{{0}siêu cao cũng yêu cầu cấu trúc cơ khí rất ổn định. "Trục đánh bóng" – thành phần cốt lõi của thiết bị – thậm chí còn đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt hơn về thành phần vật liệu và công nghệ. Tấm ép này, được làm bằng vật liệu composite chuyên dụng, không chỉ phải đáp ứng độ chính xác ở cấp độ nano cho các hoạt động tự động mà còn có hệ số giãn nở nhiệt được kiểm soát chính xác, ngăn nhiệt sinh ra do ma sát trong quá trình quay tốc độ cao- gây ra biến dạng nhiệt của tấm ép, nếu không sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định của độ chính xác gia công và cuối cùng là độ phẳng và độ song song của sản phẩm. Nói chung, để đạt được độ chính xác đánh bóng dưới -micron hoặc thậm chí nanomet, biến dạng nhiệt của trục lăn phải được kiểm soát trong phạm vi vài nanomet.
Hiện tại, các trục đánh bóng có độ chính xác cao-hầu hết được sản xuất-tùy chỉnh thay vì sản xuất hàng loạt{2}}, điều này trực tiếp hạn chế việc nhân rộng ra bên ngoài các quốc gia như Hoa Kỳ và Nhật Bản. Vì vậy, những quốc gia này nắm giữ vững chắc công nghệ sản xuất trục lăn có độ chính xác-cao. Từ lâu, Trung Quốc đã phải đối mặt với các lệnh cấm vận công nghệ nghiêm ngặt. Các câu hỏi về vật liệu và quy trình nào có thể tổng hợp các trục lăn có độ giãn nở nhiệt thấp, khả năng chống mài mòn cao và bề mặt mài có độ chính xác cực cao là những thách thức kỹ thuật mà các doanh nghiệp và viện nghiên cứu Trung Quốc phải tập trung giải quyết.
Ngoài ra, đối với các thành phần quang học có khẩu độ nhỏ- đến trung bình-(dưới 200 mm), thiết bị trong nước thường có khả năng hoạt động. Tuy nhiên, trong lĩnh vực máy mài có độ chính xác cực cao- đến-lớn (trên 400 mm){7}} – hiện tại, không có thiết bị nội địa nào có khả năng thương mại hóa ở Trung Quốc. Điều này có nghĩa là đối với những-gương có đường kính lớn được sử dụng trong kính viễn vọng thiên văn, thiết bị tổng hợp tia laser và máy in thạch bản EUV, chúng tôi vẫn không thể vượt qua giai đoạn mài. Trình độ-hiện đại{12}}-quốc tế là gì? Cranfield OGM2500 của Anh có đường kính gia công tối đa là 2,5 mét. Máy công cụ BOX của Vương quốc Anh, được sử dụng để xử lý gương 1,45{19}}mét cho Kính thiên văn cực lớn của Châu Âu, đạt được độ chính xác về hình dạng bề mặt PV < 1 μm, với chu kỳ sản xuất một mảnh dưới 20 giờ. OptoTech UPG500 của Đức có thời gian đáo hạn thương mại cao nhất.
02 Nguyên liệu – Vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu
Lấy CMP (Đánh bóng/làm phẳng cơ học hóa học) làm ví dụ, với sự phát triển của các nút quy trình tiên tiến và bao bì tiên tiến, CMP đã dần thoát khỏi vai trò phụ trợ truyền thống để trở thành quy trình cốt lõi thứ tư trong sản xuất mạch tích hợp, cùng với kỹ thuật in thạch bản, khắc axit và lắng đọng màng mỏng-. Trong bối cảnh tiếp tục mở rộng sang các nút nâng cao và kiến trúc ba chiều,{2}}CMP đã trở thành một bước quan trọng ảnh hưởng đến độ phẳng tổng thể của tấm bán dẫn và hiệu suất xử lý.
Vật liệu cốt lõi của CMP bao gồm vữa và miếng đánh bóng. Trong số đó, bùn là môi trường quan trọng quyết định chất lượng xử lý và tốc độ loại bỏ CMP, trong khi miếng đánh bóng đóng vai trò quan trọng như một môi trường vật lý và yếu tố truyền ứng suất trong quá trình CMP. Có nhiều loại chất lỏng, chiếm hơn 50% giá trị của vật liệu đánh bóng và mức tiêu thụ của chúng tăng lên theo sản lượng wafer và số bước bào phẳng CMP.
Vật liệu đánh bóng CMP có rào cản kỹ thuật cực cao. Do sự khởi đầu muộn màng của Trung Quốc trong lĩnh vực này, các bằng sáng chế cốt lõi từ lâu đã bị các gã khổng lồ nước ngoài độc quyền. Các công thức dạng bùn rất phức tạp, chu kỳ R&D và xác nhận kéo dài, đồng thời các quy trình sản xuất và yêu cầu kiểm soát quy trình rất nghiêm ngặt. Hơn nữa,-các hạt mài mòn có độ tinh khiết cao từ lâu đã phụ thuộc vào nhập khẩu và chuỗi cung ứng cốt lõi thượng nguồn vẫn do các công ty nước ngoài kiểm soát.
Các hạt mài mòn là nguyên liệu thô cốt lõi cho bùn; các sản phẩm chủ đạo bao gồm các hạt ceria, silica và alumina. Một nhà nghiên cứu lưu ý rằng đối với các quy trình chip 28 nm trưởng thành, về mặt lý thuyết, sự thay thế trong nước có thể đạt được trên thị trường nội địa, nhưng đối với các nút tiên tiến hơn, nguồn cung chất mài mòn vẫn phải đối mặt với những thách thức, ảnh hưởng trực tiếp đến việc kiểm soát tạp chất kim loại trong bùn.
Ở đây một lần nữa, chúng tôi lại bị phong tỏa.
03 Quy trình công nghệ – Vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm
(1) Hoàn thiện từ lưu biến (MRF)
Hoàn thiện từ lưu biến là một công nghệ sản xuất quang học tiên tiến được phát triển ở nước ngoài vào những năm 1980 và QED (Hoa Kỳ) bắt đầu thương mại hóa nó vào năm 1997. Kỹ thuật này sử dụng các đặc tính lưu biến của chất lỏng lưu biến từ trong từ trường để đánh bóng phôi. Khi chất lỏng đi vào vùng đánh bóng, nó biến thành môi trường dẻo dưới từ trường, tạo thành một "miếng đánh bóng linh hoạt". Sự tiếp xúc với bề mặt quang học tạo ra ứng suất cắt đáng kể, cho phép loại bỏ vật liệu ổn định để đánh bóng và tạo hình. Nó giải quyết một cách hiệu quả các yêu cầu như độ chính xác gia công cao, độ hội tụ nhanh, chất lượng bề mặt tốt, hư hỏng dưới bề mặt thấp và các lỗi tần số trung- và cao-không gian{7}}có thể kiểm soát được. Nó được áp dụng rộng rãi cho thấu kính hình cầu, thấu kính phi cầu, lăng kính, bề mặt dạng tự do, v.v.
(2) Đo chùm tia ion (IBF)
Xu hướng trong quá trình xử lý quang học phi cầu khẩu độ lớn{0}}là hướng tới độ lệch cao hơn, độ dốc cao hơn và độ chính xác cao hơn. Để đáp ứng điều này, Eastman Kodak (Mỹ) đã đề xuất phương pháp tính toán chùm ion. Kỹ thuật này được thực hiện trong buồng chân không, sử dụng chùm ion có năng lượng và phân bố không gian xác định để bắn phá bề mặt gương. Quá trình loại bỏ vật liệu diễn ra thông qua việc lắng đọng năng lượng không{4}}tiếp xúc, cung cấp tùy chọn công nghệ mới để tính toán các hình cầu lớn có độ chính xác-cao. Nhờ tính chính xác cao và không gây hư hại dưới bề mặt, nó cùng với MRF được công nhận rộng rãi là một trong hai công nghệ xử lý quang học tiên tiến nhất được phát triển trong ba mươi năm qua.
(3) Đánh bóng/làm phẳng cơ học hóa học (CMP)
CMP hiện là công nghệ phẳng hóa duy nhất có thể đạt được độ phẳng bề mặt toàn cục và cục bộ. Phương pháp này được Monsanto (Hoa Kỳ) đề xuất lần đầu tiên vào năm 1965, nhưng ban đầu chỉ được áp dụng để thu được các bề mặt kính-chất lượng cao, chẳng hạn như kính thiên văn quân sự. Sau này, do nó kết hợp độc đáo sự ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học, làm giảm sự biến đổi của quy trình và tạo ra các bề mặt phẳng có kích thước nano, nên các công ty như IBM, Intel và Ứng dụng Vật liệu dần dần áp dụng nó trong sản xuất chất bán dẫn.
Trong lĩnh vực đánh bóng siêu{0}}chính xác, nước ngoài – đặc biệt là Nhật Bản, Đức và Hoa Kỳ – có lợi thế đáng kể. Về mặt thiết bị và trình độ quy trình, các quốc gia này đã đạt được độ chính xác đánh bóng ở cấp độ nanomet{2}}, trong khi Trung Quốc vẫn tụt hậu so với trình độ tiên tiến quốc tế ở một mức độ nhất định.