La lucidatura ultra-di precisione si riferisce generalmente all'uso di microparticelle abrasive con dimensioni di particelle di soli pochi nanometri come abrasivi di lucidatura, che vengono iniettate in uno strumento di lappatura per rimuovere piccole quantità di materiale del pezzo, ottenendo così la precisione geometrica e la ruvidità superficiale specificate. Una precisione di lucidatura così elevata impone sfide maggiori alle tecniche, alle attrezzature e ai materiali di lucidatura.
Nell'elettronica moderna, la lucidatura ultra-precisa ha il compito non solo di planarizzare materiali diversi ma anche di planarizzare stack multi-strato, consentendo a un wafer di silicio di pochi millimetri quadrati di formare circuiti integrati su scala ultra-larga-composti da decine di migliaia a milioni di transistor attraverso la "planarizzazione globale". Ad esempio, il fatto che i computer si siano ridotti da decine di tonnellate a poche centinaia di grammi non sarebbe stato possibile senza la lucidatura ultra-di precisione.
Attualmente, il Giappone, gli Stati Uniti e la Germania detengono posizioni di leadership nel settore delle macchine utensili di ultra-precisione. Controllano le tecnologie principali dei processi di lucidatura ad ultra-precisione e comandano fermamente l'iniziativa del mercato globale. Al contrario, lo sviluppo cinese della tecnologia di lucidatura ultra-precisa deve affrontare alcuni vincoli. Pertanto, come superare i colli di bottiglia tecnici nella lucidatura ultra-di precisione è diventato un punto focale di preoccupazione nel campo cinese della lappatura e lucidatura.
01 Equipaggiamento – Bloccato
La lucidatura ad alta-precisione viene generalmente utilizzata in campi-di fascia alta come l'ottica, i semiconduttori e il settore aerospaziale, dove sono richieste estrema accuratezza della forma, precisione dimensionale e integrità della superficie (nessun danno superficiale o minimo, inclusi micro{2}}fessure, stress residuo e modifiche microstrutturali). Ciò pone requisiti estremamente elevati alle apparecchiature di lucidatura.
Per garantire la precisione della lucidatura, le apparecchiature di lucidatura ultra-precise richiedono anche strutture meccaniche molto stabili. La "piastra di lucidatura", un componente fondamentale dell'attrezzatura, impone requisiti ancora più severi sulla composizione dei materiali e sulla tecnologia. Questa piastra, realizzata con materiali compositi specializzati, non deve solo soddisfare la precisione su scala nanometrica per le operazioni automatizzate, ma deve anche possedere un coefficiente di espansione termica controllato con precisione, impedendo che il calore generato dall'attrito durante la rotazione ad alta-velocità causi una deformazione termica della piastra, che altrimenti comprometterebbe la stabilità della precisione della lavorazione e, in definitiva, la planarità e il parallelismo del prodotto. Generalmente, per ottenere una precisione di lucidatura inferiore al{5}}micron o addirittura nanometrica, la deformazione termica della piastra deve essere controllata entro pochi nanometri.
Al momento, le piastre di lucidatura ad alta-precisione sono per lo più realizzate su misura-piuttosto che prodotte in serie-, il che limita direttamente la replica al di fuori di paesi come gli Stati Uniti e il Giappone. Pertanto, queste nazioni detengono saldamente la tecnologia di produzione delle piastre ad alta-precisione. Per molto tempo la Cina ha dovuto far fronte a severi embarghi tecnologici. La questione di quali materiali e processi possano sintetizzare tali piastre con bassa dilatazione termica, elevata resistenza all'usura e superfici di lappatura ultra-precise sono sfide tecniche che le imprese e gli istituti di ricerca cinesi devono concentrarsi sulla risoluzione.
Inoltre, per i componenti ottici con apertura da piccola- a media-(sotto i 200 mm), le apparecchiature domestiche sono generalmente in grado di farlo. Tuttavia, nel campo delle rettificatrici di ultra-precisione con apertura da media- a grande-(oltre 400 mm), attualmente non esistono attrezzature domestiche commercialmente valide in Cina. Ciò significa che per gli specchi di grande-diametro utilizzati nei telescopi astronomici, negli impianti di fusione laser e nelle macchine litografiche EUV, non siamo ancora in grado di superare la fase di rettifica. Qual è lo stato dell'arte-dell'arte a livello internazionale? La Cranfield OGM2500 del Regno Unito ha un diametro massimo di lavorazione di 2,5 metri. La macchina utensile BOX del Regno Unito, utilizzata per la lavorazione di specchi da 1,45-metri per l'European Extremely Large Telescope, raggiunge una precisione della forma superficiale PV < 1 μm, con un ciclo di produzione di un singolo pezzo inferiore a 20 ore. L'OptoTech UPG500 della Germania ha la più alta maturità commerciale.
02 Materiali – Ancora dipendenti dalle importazioni
Prendendo ad esempio CMP (lucidatura/planarizzazione chimica meccanica), con l'evoluzione di nodi di processo avanzati e packaging avanzato, CMP ha gradualmente abbandonato il suo tradizionale ruolo ausiliario per diventare il quarto processo principale nella produzione di circuiti integrati, insieme a litografia, incisione e deposizione di film sottile-. Nel contesto della continua scalabilità verso nodi avanzati e architetture tridimensionali-, CMP è diventato un passaggio fondamentale che influisce sulla planarità globale dei wafer e sulla resa del processo.
I materiali principali per CMP includono fanghi e tamponi per lucidatura. Tra questi, l'impasto liquido è il mezzo chiave che determina la qualità della lavorazione CMP e il tasso di rimozione, mentre il tampone di lucidatura svolge un ruolo cruciale come mezzo fisico ed elemento di trasferimento dello stress durante il processo CMP. Esistono molti tipi di fanghi, che rappresentano oltre il 50% del valore dei materiali di lucidatura, e il loro consumo aumenta con la produzione dei wafer e con il numero di passaggi di planarizzazione del CMP.
I materiali lucidanti CMP presentano barriere tecniche estremamente elevate. A causa del ritardo della Cina in questo campo, i brevetti fondamentali sono stati a lungo monopolizzati dai giganti d'oltremare. Le formulazioni dei liquami sono complesse, i cicli di ricerca e sviluppo e di validazione sono lunghi e i processi di produzione e i requisiti di controllo dei processi sono rigorosi. Inoltre, le particelle abrasive ad elevata-purezza dipendono da tempo dalle importazioni e la catena di fornitura principale a monte rimane controllata da società straniere.
Le particelle abrasive rappresentano la materia prima principale per i liquami; i prodotti tradizionali includono particelle di ceria, silice e allumina. Un ricercatore ha osservato che per i processi maturi di chip da 28 nm, la sostituzione domestica è teoricamente realizzabile sul mercato interno, ma per i nodi più avanzati, la fornitura di abrasivo deve ancora affrontare sfide, che influiscono direttamente sul controllo delle impurità metalliche nei liquami.
Anche in questo caso siamo bloccati.
03 Tecnologie di processo – Ancora in fase di sperimentazione
(1) Finitura magnetoreologica (MRF)
La finitura magnetoreologica è una tecnologia di produzione ottica avanzata sviluppata all'estero negli anni '80 e QED (USA) ha iniziato a commercializzarla nel 1997. Questa tecnica utilizza le proprietà reologiche del fluido magnetoreologico in un campo magnetico per lucidare i pezzi. Quando il fluido entra nella zona di lucidatura, si trasforma in un mezzo viscoplastico sotto il campo magnetico, formando un "tampone di lucidatura flessibile". Il contatto con la superficie ottica genera uno stress di taglio significativo, consentendo una rimozione stabile del materiale per la lucidatura e la modellatura. Risponde in modo efficace a requisiti quali elevata precisione di lavorazione, rapida convergenza, buona qualità della superficie, bassi danni al sottosuolo ed errori controllabili di media- e alta-frequenza spaziale-. È ampiamente applicabile a lenti sferiche, lenti asferiche, prismi, superfici a forma libera, ecc.
(2) Calcolo del fascio ionico (IBF)
La tendenza nell'elaborazione ottica asferica-a grande apertura è verso una deviazione più elevata, pendenze più ripide e una precisione più elevata. Per far fronte a questo, Eastman Kodak (USA) ha proposto la tecnica del fascio ionico. Questa tecnica, eseguita in una camera a vuoto, utilizza un fascio ionico con energia e distribuzione spaziale definite per bombardare la superficie dello specchio. La rimozione del materiale avviene tramite deposizione di energia senza-contatto, offrendo una nuova opzione tecnologica per la figurazione ad alta-precisione di grandi oggetti asferici. Grazie alla sua elevata precisione di calcolo e all’assenza di danni al sottosuolo, insieme a MRF è ampiamente riconosciuta come una delle due tecnologie di elaborazione ottica più innovative sviluppate negli ultimi trent’anni.
(3) Lucidatura/Planarizzazione Chimico-Meccanica (CMP)
CMP è attualmente l’unica tecnologia di planarizzazione in grado di ottenere una planarità superficiale sia globale che locale. Fu proposto per la prima volta dalla Monsanto (USA) nel 1965, ma inizialmente si applicava solo all'ottenimento di superfici di vetro di alta-qualità, come per i telescopi militari. Successivamente, poiché combina in modo unico la corrosione chimica e l’abrasione meccanica, riducendo le variazioni del processo e producendo superfici planarizzate su scala nanometrica, aziende come IBM, Intel e Applied Materials lo hanno gradualmente adottato nella produzione di semiconduttori.
Nel campo della lucidatura ultra-di precisione, i paesi stranieri, in particolare Giappone, Germania e Stati Uniti, presentano vantaggi significativi. In termini di attrezzature e livelli di processo, queste nazioni hanno già raggiunto una precisione di lucidatura a livello nanometrico-, mentre la Cina è ancora in una certa misura indietro rispetto al livello avanzato internazionale.