通往超精密抛光工艺之巅 路阻且长

国际金属加工网 2018年06月26日

在茫茫宇宙中,一个类金属合金宇宙探测器以超光速掠过,它由被强互作用力锁死的质子与中子构成,因表面绝对光滑而可以反射一切电磁波,并且无坚不摧……这是刘慈欣在科幻小说《三体》中提到的一种名叫“水滴”的宇宙飞行器。

事实上,人类对“绝对光滑”的追求也已经从科学幻想转变为实践,比如推动“集成电路变身革命”的超精密抛光技术。像《三体》中描述的一样,当前最为先进的化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)技术也已进入原子尺寸级。而当电子工业强国争相攀登或到达这一工艺巅峰之时,我们却还只能仰望。

现代电子工业,超精密抛光是灵魂

物理抛光是上世纪80年代之前最为常用的抛光技术,但是电子工业的高速发展对材料器件的尺寸、平整度提出越来越严苛的要求。当一块毫米厚度的基片需要被制成几十万层的集成电路时,传统老旧的抛光工艺已经远远不能达到要求。

“以晶片制造为例,抛光是整个工艺的最后一环,目的是改善晶片加工前一道工艺所留下的微小缺陷以获得最佳的平行度。”中科院国家纳米科学中心研究院王奇博士向科技日报记者介绍。

今天的光电子信息产业水平,对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密,已经达到了纳米级。这就意味着,抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度。

超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要,其应用的领域能够直接说明问题:集成电路制造、医疗器械汽车配件、数码配件、精密模具航空航天

王奇说:“超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命,不仅仅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多层材料,使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克,没有超精密抛光不行,它是技术灵魂。”

核心技术被雪藏,国内需求受制于人

浙江晶盛机电股份有限公司是我国电子制造业追逐“全局平坦化”的开路先锋之一,公司多年从事抛光工艺研发的技术主管孙明告诉记者:“如果把抛光工艺比作做煎饼,卡我们脖子的就是锅,别人的锅不粘锅底,而我们做不到。”

孙明所说的“锅”就是抛光机的核心器件——“磨盘”。超精密抛光对抛光机中磨盘的材料构成和技术要求近乎苛刻,这种由特殊材料合成的钢盘,不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,更要具备精确的热膨胀系数。

当抛光机处在高速运转状态时,如果热膨胀作用导致磨盘的热变形,基片的平面度和平行度就无法保证。而这种不能被允许发生的热变形误差不是几毫米或几微米,而是几纳米。

目前,美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求(属超大尺寸),他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术,牢牢把握了全球市场的主动权。而事实上,把握住这项技术,也就在很大程度上掌控了电子制造业的发展。

孙明介绍,日本产抛光机的研磨盘均为定制,不进行批量生产,直接限制了他国仿制;王奇也告诉记者,美国的抛光设备销往中国,价格一般都在1000万元以上,而且销售订单已经排至2019年年底,此前不接受任何订单。

“面对如此严密的技术封锁,我们很急,春秋时期,鲁班为人类发明石磨助力了农耕文明,如今我们的电子工业进步却再次被一种磨盘卡住了脖子。但是再急,目前我们还得等,要么等进口,要么自主研发。”王奇说。

登顶技术巅峰,求人不如求己

其实在超精密抛光领域内,中国并非毫无建树。作为一套技术要求极高的合成工艺,超精密化学机械抛光工艺精必须由设备和材料(抛光液)组成,二者缺一不可。

2011年,王奇博士团队研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖,相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具许可和国家一级标准物质证书。二氧化铈新材料的超精密抛光生产试验效果一举赶超了国外传统材料,填补了该领域空白。

但是王奇说:“这并不意味着我们已经攀登到了这一领域的顶峰,对于整体工艺来说,只有抛光液而没有超精密抛光机,我们最多还只是卖材料的。”

孙明认为,明确现代电子工业生产制造的具体要求,才能找准攻克超精密抛光工艺的方向:“抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求,可以概括为超精密、大尺寸。有了顶级的抛光材料仅仅是基础,以此为基础,我们还需要分两步走,首先解决磨盘问题,其次解决抛光面积扩大问题。”

孙明介绍,美国、日本抛光机磨盘的材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之,购买和使用他们的产品,并不代表可以仿制甚至复制他们的产品,这是两回事。

“用什么材料和工艺才能合成这种热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘,是我们首先需要集中力量攻克的技术难题,这个问题一旦解决,60英寸抛光作业面也将不再是梦想。而这样的核心技术,永远不能指望从别人手中获得,除了依靠自己,我们别无选择。”孙明说。


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