Ultra-tarkkuuskiillotus tarkoittaa yleensä vain muutaman nanometrin hiukkaskokoisten hiomahiukkasten käyttöä kiillotushioma-aineina, jotka ruiskutetaan läppäystyökaluun pienentämään työkappaleen materiaalimääriä, jolloin saavutetaan määrätty geometrinen tarkkuus ja pinnan karheus. Tällainen erittäin korkea kiillotustarkkuus asettaa suurempia haasteita kiillotustekniikoille, laitteille ja materiaaleille.
Nykyaikaisessa elektroniikassa ultra-tarkkuuskiillotuksen tehtävänä ei ole vain tasoittaa eri materiaaleja, vaan myös tasoittaa monikerroksisia pinoja, jolloin vain muutaman neliömillimetrin kokoinen piikiekko voi muodostaa ultra-suuria-integroituja piirejä, jotka koostuvat kymmenistä tuhansista miljooniin transistoreihin. Esimerkiksi se, että tietokoneet ovat kutistuneet kymmenistä tonneista muutamaan sataan grammaan, ei olisi ollut mahdollista ilman ultra-tarkkaa kiillotusta.
Tällä hetkellä Japanilla, Yhdysvalloissa ja Saksalla on johtava asema ultra{0}}tarkkuustyöstökoneissa. He hallitsevat ultra-tarkkuuskiillotusprosessien ydinteknologioita ja hallitsevat lujasti globaalia markkina-aloitetta. Sitä vastoin Kiinan ultratarkkuuskiillotusteknologian kehitys{4} kohtaa tiettyjä rajoituksia. Tästä syystä ultra-tarkkuuskiillotuksen teknisten pullonkaulojen voittamisesta on tullut keskeinen huolenaihe Kiinan hionta- ja kiillotusalalla.
01 Laitteet – Estetty
Huippu-tarkkuuskiillotusta käytetään tyypillisesti huippuluokan-aloilla, kuten optiikassa, puolijohteissa ja ilmailuteollisuudessa, joissa vaaditaan äärimmäistä muototarkkuutta, mittatarkkuutta ja pinnan eheyttä (ei pintavaurioita tai pintavaurioita, kuten mikro-halkeamia, jäännösjännitystä ja mikrorakennemuutoksia) tarvitaan. Tämä asettaa erittäin korkeat vaatimukset kiillotuslaitteille.
Kiillotustarkkuuden varmistamiseksi ultra{0}}tarkkuuskiillotuslaitteet vaativat myös erittäin vakaita mekaanisia rakenteita. "Kiillotuslevy" – laitteen ydinkomponentti – asettaa entistä tiukemmat vaatimukset materiaalin koostumukselle ja tekniikalle. Tämän erikoiskomposiittimateriaaleista valmistetun levyn tulee täyttää nanomittakaavan tarkkuus automatisoituja toimintoja varten, vaan sillä on oltava myös tarkasti säädelty lämpölaajenemiskerroin, mikä estää kitkan aiheuttamaa lämpöä suuren nopeuden pyörimisen aikana aiheuttamasta levyn termistä muodonmuutosta, mikä muuten vaikuttaisi koneistustarkkuuden vakauteen ja lopulta tuotteen tasaisuuteen. Yleensä alle -mikronin tai jopa nanometrin kiillotustarkkuuden saavuttamiseksi levyn lämpömuodonmuutosta on säädettävä muutaman nanometrin sisällä.
Tällä hetkellä -tarkkaat kiillotuslevyt valmistetaan enimmäkseen mittatilaustyönä- massatuotannon sijaan-, mikä rajoittaa suoraan replikointia Yhdysvaltojen ja Japanin kaltaisten maiden ulkopuolella. Näin ollen näillä mailla on lujasti hallussaan tarkkuuslevyjen tuotantotekniikka-. Kiina on jo pitkään ollut tiukkojen teknologiasaartojen edessä. Kysymykset siitä, millä materiaaleilla ja prosesseilla voidaan syntetisoida tällaisia laattoja, joilla on alhainen lämpölaajeneminen, korkea kulutuskestävyys ja erittäin-tarkkuus läpäisevät pinnat, ovat teknisiä haasteita, joiden ratkaisemiseen kiinalaisten yritysten ja tutkimuslaitosten on keskityttävä.
Lisäksi pienten - ja keskikokoisten-aukkoisten (alle 200 mm) optisten komponenttien käsittelyyn kotitalouslaitteet sopivat yleensä. Keskikokoisten- tai suurten-aukon (yli 400 mm) ultra-tarkkuushiomakoneiden alalla Kiinassa ei tällä hetkellä ole kaupallisesti kannattavia kotitalouslaitteita. Tämä tarkoittaa, että astronomisissa teleskoopeissa, laserfuusiolaitoksissa ja EUV-litografiakoneissa käytettävien suurten halkaisijaisten peilien kohdalla emme silti voi läpäistä hiontavaihetta. Mikä on-kansainvälinen-taiteen taso-? Iso-Britannian Cranfield OGM2500:n suurin työstöhalkaisija on 2,5 metriä. Ison-Britannian BOX-työstökone, jota käytetään 1,45-metristen peilien käsittelyyn European Extremely Large Telescope -teleskooppia varten, saavuttaa pintamuodon tarkkuuden PV < 1 μm, ja yksiosainen tuotantojakso on alle 20 tuntia. Saksan OptoTech UPG500:lla on korkein kaupallinen maturiteetti.
02 Materiaalit – edelleen riippuvaisia tuonnista
Esimerkkinä CMP (Chemical Mechanical Polishing/Planarisation) kehittyneiden prosessisolmujen ja kehittyneiden pakkausten kehityksen myötä CMP on vähitellen irtautunut perinteisestä aputehtävästään ja siitä on tullut neljäs ydinprosessi integroitujen piirien valmistuksessa litografian, etsauksen ja ohut{0}}kalvopinnoituksen ohella. Jatkuvassa skaalauksessa edistyneisiin solmuihin ja kolmiulotteisiin arkkitehtuureihin CMP:stä on tullut kriittinen askel, joka vaikuttaa kiekkojen globaaliin tasaisuuteen ja prosessin tuottoon.
CMP:n ydinmateriaaleja ovat lietteet ja kiillotustyynyt. Niistä liete on keskeinen väliaine, joka määrää CMP-käsittelyn laadun ja poistonopeuden, kun taas kiillotustyynyllä on ratkaiseva rooli fyysisenä väliaineena ja jännityksensiirtoelementtinä CMP-prosessin aikana. Lietteitä on monenlaisia, niiden osuus on yli 50 % kiillotusmateriaalien arvosta, ja niiden kulutus kasvaa kiekkojen tuotannon ja CMP-tasoitusvaiheiden lukumäärän myötä.
CMP-kiillotusmateriaalit tarjoavat erittäin korkeat tekniset esteet. Koska Kiina aloitti tällä alalla myöhään, ulkomaiset jättiläiset ovat pitkään monopolisoineet ydinpatentit. Lieteformulaatiot ovat monimutkaisia, T&K- ja validointisyklit ovat pitkiä ja tuotantoprosessit ja prosessinohjausvaatimukset ovat tiukat. Lisäksi erittäin-puhtaat hiomahiukkaset ovat olleet pitkään riippuvaisia tuonnista, ja alkupään ydintoimitusketju on edelleen ulkomaisten yritysten hallinnassa.
Hankaavat hiukkaset ovat lietteiden ydinraaka-aine; valtavirtatuotteita ovat ceriumoksidi, piidioksidi ja alumiinioksidihiukkaset. Eräs tutkija totesi, että kypsissä 28 nm:n siruprosesseissa kotimainen korvaaminen on teoriassa mahdollista kotimarkkinoilla, mutta edistyneemmissä solmuissa hioma-aineen tarjonta kohtaa edelleen haasteita, jotka vaikuttavat suoraan lietteen metalliepäpuhtauksien hallintaan.
Tässä olemme taas estämässä.
03 Process Technologies – vielä kokeiluvaiheessa
(1) Magnetorheologinen viimeistely (MRF)
Magnetorheologinen viimeistely on edistynyt optinen valmistustekniikka, joka kehitettiin ulkomailla 1980-luvulla, ja QED (USA) aloitti sen kaupallistamisen vuonna 1997. Tämä tekniikka käyttää magnetorheologisen nesteen reologisia ominaisuuksia magneettikentässä työkappaleiden kiillottamiseen. Kun neste tulee kiillotusalueelle, se muuttuu viskoplastiseksi väliaineeksi magneettikentän alla muodostaen "joustavan kiillotustyynyn". Kosketus optiseen pintaan synnyttää merkittävän leikkausjännityksen, mikä mahdollistaa materiaalin vakaan poiston kiillotusta ja kuviointia varten. Se vastaa tehokkaasti vaatimuksiin, kuten korkea koneistustarkkuus, nopea konvergenssi, hyvä pinnan laatu, alhainen vaurioituminen ja hallittavissa olevat keski{5}} ja korkean -tilataajuuden{7}}virheet. Se soveltuu laajasti pallomaisiin linsseihin, asfäärisiin linsseihin, prismoihin, vapaamuotoisiin pintoihin jne.
(2) Ionisädekuvaus (IBF)
Suuren{0}}aukon asfäärisen optisen käsittelyn suuntaus on kohti suurempia poikkeamia, jyrkempiä rinteitä ja suurempaa tarkkuutta. Tämän saavuttamiseksi Eastman Kodak (USA) ehdotti ionisäteen hahmottamista. Tämä tyhjiökammiossa suoritettu tekniikka käyttää ionisädettä, jolla on määritelty energia- ja tilajakauma peilipinnan pommittamiseen. Materiaalin poisto tapahtuu kosketuksettomalla-energiapinnoituksella, mikä tarjoaa uuden teknologisen vaihtoehdon suurten asfäärien{5}}tarkkuuteen. Korkean hahmotustarkkuutensa ja ilman pinnan alla olevia vaurioita ansiosta se on MRF:n ohella laajalti tunnustettu yhdeksi kahdesta innovatiivisimmasta optisesta käsittelytekniikasta, jotka on kehitetty viimeisen kolmenkymmenen vuoden aikana.
(3) Kemiallinen mekaaninen kiillotus/planarisointi (CMP)
CMP on tällä hetkellä ainoa tasoitustekniikka, jolla voidaan saavuttaa sekä globaali että paikallinen pinnan tasaisuus. Monsanto (USA) ehdotti sitä ensimmäisen kerran vuonna 1965, mutta alun perin sitä sovellettiin vain korkealaatuisten-lasipintojen, kuten sotilasteleskooppien, saamiseksi. Myöhemmin, koska se yhdistää ainutlaatuisesti kemiallisen korroosion ja mekaanisen hankauksen, vähentää prosessien vaihteluita ja tuottaa nanomittakaavan tasomaisia pintoja, IBM, Intel ja Applied Materials ottavat sen vähitellen käyttöön puolijohteiden valmistuksessa.
Ultra{0}}tarkkuuskiillotuksen alalla ulkomailla – erityisesti Japanilla, Saksalla ja Yhdysvalloissa – on merkittäviä etuja. Laitteiden ja prosessien tasolla nämä maat ovat jo saavuttaneet nanometrin-tason kiillotustarkkuuden, kun taas Kiina on edelleen jossain määrin jäljessä kansainvälisestä edistyneestä tasosta.