Unter Ultrapräzisionspolieren versteht man im Allgemeinen die Verwendung von abrasiven Mikropartikeln mit Partikelgrößen von nur wenigen Nanometern als Poliermittel, die in ein Läppwerkzeug eingespritzt werden, um kleinste Mengen Werkstückmaterial zu entfernen und so eine bestimmte geometrische Genauigkeit und Oberflächenrauheit zu erreichen. Eine solch extrem hohe Polierpräzision stellt größere Herausforderungen an Poliertechniken, Ausrüstung und Materialien.
In der modernen Elektronik besteht die Aufgabe des Ultrapräzisionspolierens nicht nur darin, verschiedene Materialien zu planarisieren, sondern auch in der Planarisierung mehrschichtiger Stapel, wodurch aus einem Siliziumwafer von nur wenigen Millimetern im Quadrat durch „globale Planarisierung“ ultra{2}große-integrierte Schaltkreise gebildet werden können, die aus Zehntausenden bis Millionen von Transistoren bestehen. Beispielsweise wäre die Tatsache, dass Computer von Dutzenden Tonnen auf nur wenige Hundert Gramm geschrumpft sind, ohne ultrapräzises Polieren nicht möglich gewesen.
Derzeit nehmen Japan, die Vereinigten Staaten und Deutschland führende Positionen bei Ultrapräzisionswerkzeugmaschinen ein. Sie beherrschen die Kerntechnologien der Ultra--Präzisionspolierprozesse und beherrschen die globale Marktinitiative. Im Gegensatz dazu unterliegt Chinas Entwicklung der Ultra--Präzisionspoliertechnologie bestimmten Einschränkungen. Daher ist die Frage, wie die technischen Engpässe beim Ultrapräzisionspolieren überwunden werden können, zu einem zentralen Anliegen im chinesischen Bereich des Läppens und Polierens geworden.
01 Ausrüstung – Blockiert
Hochpräzises Polieren wird typischerweise in High-End-Bereichen wie Optik, Halbleiter und Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo extreme Formgenauigkeit, Maßgenauigkeit und Oberflächenintegrität (keine oder minimale Oberflächenbeschädigung, einschließlich Mikrorisse, Eigenspannungen und mikrostrukturelle Veränderungen) erforderlich sind. Dies stellt extrem hohe Anforderungen an die Polierausrüstung.
Um die Polierpräzision zu gewährleisten, erfordern Ultrapräzisionspoliergeräte auch sehr stabile mechanische Strukturen. Der „Polierteller“ – ein Kernbestandteil der Anlage – stellt noch höhere Anforderungen an Materialzusammensetzung und Technologie. Diese aus speziellen Verbundwerkstoffen gefertigte Aufspannplatte muss nicht nur eine nanoskalige Präzision für automatisierte Vorgänge erfüllen, sondern auch über einen genau kontrollierten Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen, der verhindert, dass die durch Reibung bei Hochgeschwindigkeitsrotationen erzeugte Hitze zu einer thermischen Verformung der Aufspannplatte führt, die andernfalls die Stabilität der Bearbeitungsgenauigkeit und letztendlich die Ebenheit und Parallelität des Produkts beeinträchtigen würde. Um eine Poliergenauigkeit im Sub-Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich zu erreichen, muss die thermische Verformung der Platte im Allgemeinen auf wenige Nanometer kontrolliert werden.
Gegenwärtig werden hochpräzise Polierplatten meist kundenspezifisch-anstelle-massenproduziert, was die Nachahmung außerhalb von Ländern wie den USA und Japan direkt einschränkt. Somit verfügen diese Nationen über die Produktionstechnologie für hochpräzise Aufspannplatten. China ist seit langem mit strengen Technologieembargos konfrontiert. Die Frage, welche Materialien und Prozesse solche Platten mit geringer Wärmeausdehnung, hoher Verschleißfestigkeit und ultrapräzisen Läppoberflächen synthetisieren können, sind technische Herausforderungen, auf deren Lösung sich chinesische Unternehmen und Forschungsinstitute konzentrieren müssen.
Darüber hinaus sind für optische Komponenten mit kleiner- bis mittlerer-Apertur (unter 200 mm) im Allgemeinen Haushaltsgeräte geeignet. Allerdings gibt es im Bereich der Ultrapräzisionsschleifmaschinen mittlerer{4}} bis großer-Öffnung (über 400 mm) derzeit keine kommerziell nutzbare heimische Ausrüstung in China. Das bedeutet, dass wir bei Spiegeln mit großem -Durchmesser, die in astronomischen Teleskopen, Laserfusionsanlagen und EUV-Lithographiemaschinen verwendet werden, die Schleifphase immer noch nicht bestehen können. Wie ist der internationale Stand-der-Technik? Der Cranfield OGM2500 aus Großbritannien hat einen maximalen Bearbeitungsdurchmesser von 2,5 Metern. Die britische BOX-Werkzeugmaschine, die für die Bearbeitung von 1,45-Meter-Spiegeln für das European Extremely Large Telescope verwendet wird, erreicht eine Oberflächenformgenauigkeit PV < 1 μm bei einem Einzelstück-Produktionszyklus von weniger als 20 Stunden. Deutschlands OptoTech UPG500 hat die höchste kommerzielle Reife.
02 Materialien – Immer noch abhängig von Importen
Am Beispiel von CMP (Chemical Mechanical Polishing/Planarization) hat sich CMP mit der Entwicklung fortschrittlicher Prozessknoten und fortschrittlicher Verpackungen nach und nach aus seiner traditionellen Hilfsrolle gelöst und ist neben Lithographie, Ätzen und Dünnfilmabscheidung zum vierten Kernprozess in der Herstellung integrierter Schaltkreise geworden. Im Kontext der kontinuierlichen Skalierung auf fortschrittliche Knoten und dreidimensionale Architekturen ist CMP zu einem entscheidenden Schritt geworden, der sich auf die globale Ebenheit und Prozessausbeute von Wafern auswirkt.
Zu den Kernmaterialien für CMP gehören Schlämme und Polierpads. Dabei ist die Aufschlämmung das Schlüsselmedium, das die Qualität der CMP-Bearbeitung und die Abtragsrate bestimmt, während das Polierpad eine entscheidende Rolle als physikalisches Medium und Spannungsübertragungselement während des CMP-Prozesses spielt. Es gibt viele Arten von Aufschlämmungen, die über 50 % des Wertes von Poliermaterialien ausmachen, und ihr Verbrauch steigt mit der Waferproduktion und der Anzahl der CMP-Planarisierungsschritte.
CMP-Poliermaterialien stellen extrem hohe technische Hürden dar. Aufgrund des späten Einstiegs Chinas in diesem Bereich wurden Kernpatente lange Zeit von ausländischen Giganten monopolisiert. Schlammformulierungen sind komplex, F&E- und Validierungszyklen langwierig und Produktionsprozesse und Prozesskontrollanforderungen sind streng. Darüber hinaus sind hochreine Schleifpartikel seit langem auf Importe angewiesen, und die vorgelagerte Kernlieferkette wird weiterhin von ausländischen Unternehmen kontrolliert.
Schleifpartikel sind der Hauptrohstoff für Schlämme; Zu den Hauptprodukten gehören Ceroxid-, Siliciumdioxid- und Aluminiumoxidpartikel. Ein Forscher wies darauf hin, dass bei ausgereiften 28-nm-Chip-Prozessen eine inländische Substitution auf dem heimischen Markt theoretisch möglich ist, bei fortgeschritteneren Knotenpunkten die Schleifmittelversorgung jedoch immer noch vor Herausforderungen steht, die sich direkt auf die Kontrolle von Metallverunreinigungen in der Aufschlämmung auswirken.
Auch hier sind wir blockiert.
03 Prozesstechnologien – Noch in der Erprobungsphase
(1) Magnetorheologische Endbearbeitung (MRF)
Die magnetorheologische Endbearbeitung ist eine fortschrittliche optische Fertigungstechnologie, die in den 1980er Jahren im Ausland entwickelt wurde und 1997 von QED (USA) kommerzialisiert wurde. Diese Technik nutzt die rheologischen Eigenschaften magnetorheologischer Flüssigkeiten in einem Magnetfeld, um Werkstücke zu polieren. Wenn die Flüssigkeit in die Polierzone eintritt, verwandelt sie sich unter dem Magnetfeld in ein zähplastisches Medium und bildet ein „flexibles Polierpad“. Der Kontakt mit der optischen Oberfläche erzeugt eine erhebliche Scherspannung, die einen stabilen Materialabtrag zum Polieren und Formen ermöglicht. Es erfüllt effektiv Anforderungen wie hohe Bearbeitungsgenauigkeit, schnelle Konvergenz, gute Oberflächenqualität, geringe Schäden unter der Oberfläche und kontrollierbare mittlere - und hohe -räumliche -Frequenzfehler. Es ist weit verbreitet auf sphärische Linsen, asphärische Linsen, Prismen, Freiformflächen usw. anwendbar.
(2) Ionenstrahlberechnung (IBF)
Der Trend bei der asphärischen optischen Verarbeitung mit großer Apertur geht zu größerer Abweichung, steileren Flanken und höherer Präzision. Um diesem Ziel zu begegnen, schlug Eastman Kodak (USA) die Ionenstrahlberechnung vor. Diese in einer Vakuumkammer durchgeführte Technik verwendet einen Ionenstrahl mit definierter Energie und räumlicher Verteilung, um die Spiegeloberfläche zu bombardieren. Der Materialabtrag erfolgt durch kontaktlose Energieabscheidung und bietet eine neue technologische Option für die hochpräzise Formung großer Asphären. Aufgrund ihrer hohen Berechnungsgenauigkeit und des Fehlens von Schäden unter der Oberfläche gilt sie zusammen mit MRF weithin als eine der beiden innovativsten optischen Verarbeitungstechnologien, die in den letzten dreißig Jahren entwickelt wurden.
(3) Chemisch-mechanisches Polieren/Planarisieren (CMP)
CMP ist derzeit die einzige Planarisierungstechnologie, die sowohl globale als auch lokale Oberflächenebenheit erreichen kann. Es wurde erstmals 1965 von Monsanto (USA) vorgeschlagen, zunächst jedoch nur zur Erzielung hochwertiger Glasoberflächen, beispielsweise für Militärteleskope, eingesetzt. Später haben Unternehmen wie IBM, Intel und Applied Materials es nach und nach in die Halbleiterfertigung übernommen, da es chemische Korrosion und mechanischen Abrieb auf einzigartige Weise kombiniert, Prozessschwankungen reduziert und planarisierte Oberflächen im Nanomaßstab erzeugt.
Im Bereich des Ultrapräzisionspolierens haben ausländische Länder – insbesondere Japan, Deutschland und die Vereinigten Staaten – erhebliche Vorteile. In Bezug auf Ausrüstung und Prozessniveau haben diese Länder bereits eine Poliergenauigkeit im Nanometerbereich erreicht, während China immer noch bis zu einem gewissen Grad hinter dem internationalen fortgeschrittenen Niveau zurückbleibt.