“卡脖子”难题：超精密抛光技术难点如何攻克？

“卡脖子”难题：超精密抛光技术难点如何攻克？

导读：计算机自诞生以来，已经经历了无数次的变革和发展。从最初重达30多吨的庞然大物，到如今仅为几千克的便携设备，超精密抛光技术功不可没。

世界上首台计算机 ENIAC（埃尼阿克）采用电子管作为元器件，由于使用的电子管体积很大，不仅重量达到了30多吨，占地面积大，而且还存在耗电量大、易发热、无法长时间使用的问题！而随着抛光工艺进入亚微米级、甚至纳米级精度时代，现在几毫米的硅片也可以实现“全局平坦化”，电子元件排列得更加紧密，超大规模的集成电路甚至可以包含上万至百万晶体管，让计算机得以实现小型化和高度集成化，最终重量锐减至几千克！

世界上首台计算机与如今的笔记本电脑

超精密抛光技术，一般特指选用粒径只有几纳米的研磨微粉作为研磨磨料，将其注入研具，用以去除微量的工件材料，以达到一定的几何精度（一般误差在0.1µm 以下）及表面粗糙度（一般Ra≦0.01µm）的方法。这种极高的抛光精度要求对于抛光技术、设备、材料都提出了更高的挑战。目前日、美、德三国在超精密机床领域处于领先地位，他们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，相比之下，我国在超精密抛光技术方面的发展受到一定的制约，因此如何攻克超精密抛光技术的技术难点是我国研磨抛光领域关注的焦点。

超精密抛光的技术难点

1、高精度的抛光设备

高精密抛光通常用于光学、半导体、航空航天等高精尖领域，通常要求极限的形状精度、尺寸精度和表面完整性(无或极少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷、残余应力、组织变化)，这就对抛光设备提出了极高的要求。

（1）硬件要求：

为保障抛光的精密度，超精密抛光设备还需要有非常稳定的机械结构，其中作为超精密抛光设备核心器件的“磨盘”，其对材料构成和技术要求更为苛刻。这种由特殊材料合成的磨盘，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，避免磨盘在高速运转过程中与工件产生摩擦产生的热量使研磨盘发生热变形，而引起工件加工精度的波动，影响产品最终的平面度和平行度。通常来说，为保证亚微米级甚至纳米级的抛光精度，磨盘的的热变形要求在几纳米之内。

东京精密（Tokyo Seimitsu）的超薄晶圆抛光设备

目前，高精密抛光设备磨盘大多需要定制，不进行批量生产，直接限制了除美、日等的国家仿制，因此牢牢掌握着高精密磨盘的生产技术，我国长期以来都面临着严密的技术封锁， 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， 是我国企业和科研机构需要集中力量攻克的技术难题。

（2）系统（软件）要求：

由于超精密抛光涉及的参数众多，以极具代表性的CMP抛光为例，加工环境、抛光液进给速、抛光头转速、抛光压力、研磨盘（抛光盘）转速、 抛光时长、晶片粘贴方式等都会对抛光效果产生影响，因此，除了需要研究不同加工工艺参数对抛光效果的影响，还要求超精密抛光设备配备非常高精度的控制、测量和检测系统，能够在抛光过程中实时监控和调整参数，确保每个环节的精度和稳定性。

除此之外，对于具体的工件来说，其表面状态往往经过多个过程才能达到最终的要求，因此超精密抛光设备还需要有高度自动化、智能化的生产线和高质量的工艺流程，满足大规模的工业生产，目前，蔡司（Zeiss）、肖特（Schott）等德国企业在这些方面有着突出优势。例如，蔡司在光学镜头的制造过程中，采用了先进的多步抛光工艺，能够在保证高精度的同时，极大地减少表面损伤和缺陷。

蔡司针对半导体制造的过程控制解决方案，包括先进的光学测量技术、扫描电子显微镜、3D计量工作站等，可以实现对半导体器件的尺寸、形状、表面粗糙度等参数的精确测量和控制。

2、先进的抛光材料

对于超精密抛光来说，要实现纳米级的表面粗糙度，除了需要开发亚微米级别的超细磨料，还还需要针对性地开发研究抛光材料材质、形貌，并控制均匀的粒度分布。例如，在形貌上，球形的磨料粒子往往能够实现更均匀的抛光效果，减少划痕和凹坑；在材料选择上，硬质材料如碳化硅晶圆等可能需要使用更为硬质的抛光磨料，才能有较高的去除率，而软质材料则需要使用较软的磨料，才能达到低损伤的目的.....

目前，日本在抛光材料的研发上具有显著优势。例如，富士（Fujimi）开发的超精细抛光粉末，能够实现极高的表面光洁度和低损伤，其中用于硅和碳化硅晶圆纳米级抛光的氧化铝、二氧化硅基抛光液在全球拥有超过八成市场占有率。

Fujimi GC系列磨料