磁性微型旋轉(zhuǎn)機器人可進行超精密表面拋光和清潔

一個研究小組公布了一項創(chuàng)新技術(shù)，利用同時運行的磁性微型旋轉(zhuǎn)機器人進行超精密表面拋光和清潔。這些微型機器人能夠去除和拋光納米級污染物，為半導(dǎo)體和光學(xué)等先進行業(yè)提供了一種輕便、可擴展且經(jīng)濟高效的替代方案。

該團隊的研究成果發(fā)表在《小型結(jié)構(gòu)》雜志上，強調(diào)了磁性軟機器人革新精密制造業(yè)的潛力。研究人員由韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的SanhaKim教授和漢陽大學(xué)的JeongJae(JJ)Wie教授領(lǐng)導(dǎo)。

在度半導(dǎo)體的生產(chǎn)中，實現(xiàn)金屬層的超低表面粗糙度對于器件性能至關(guān)重要。即使是微小的瑕疵也會導(dǎo)致缺陷，從而降低電子元件的效率和可靠性。

此外，確保制造過程中表面無污染物對于避免引入可能損害設(shè)備功能的顆粒至關(guān)重要。為了滿足這些嚴(yán)格的要求，超精密拋光和清潔技術(shù)已成為半導(dǎo)體制造中的關(guān)鍵組成部分。

傳統(tǒng)方法，例如化學(xué)機械平坦化(CMP)和CMP后清潔系統(tǒng)，一直是表面平坦化和污染物去除的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些系統(tǒng)存在重大缺陷。CMP設(shè)備不僅龐大而復(fù)雜，而且極其昂貴，難以擴展或升級。

此外，這些工藝中使用的耗材(例如拋光墊、研磨漿和清潔刷)價格昂貴，需要頻繁更換，從而增加了運營費用。高昂的前期成本和持續(xù)的維護要求，對旨在降低生產(chǎn)成本并提高產(chǎn)量的制造商來說是一個重大挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究團隊開發(fā)了“旋轉(zhuǎn)機器人”，這是一種由外部磁場驅(qū)動的微型機器人，可進行超精密表面拋光和清潔。旋轉(zhuǎn)機器人由熱塑性聚氨酯-Fe3O4納米復(fù)合材料制成，由磁力攪拌器控制，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

這種裝置雖然比傳統(tǒng)設(shè)備小得多、簡單得多，但能夠讓旋轉(zhuǎn)機器人在表面上自主旋轉(zhuǎn)和樞轉(zhuǎn)，在去除納米級污染物時可實現(xiàn)99.6%的出色清潔效率。除了清潔能力之外，這些機器人還可以將表面打磨到驚人的光滑度，達(dá)到平均粗糙度(Ra)1.8納米的粗糙度水平。

這項技術(shù)真正具有突破性的是它能夠同時操作多個旋轉(zhuǎn)機器人。多達(dá)42個旋轉(zhuǎn)機器人在三個垂直堆疊的晶圓上協(xié)同工作，為表面工程提供了前所未有的可擴展性和效率。盡管規(guī)模很小，但旋轉(zhuǎn)機器人系統(tǒng)比傳統(tǒng)的拋光工具輕1,000倍，但可提供相當(dāng)甚至更好的結(jié)果。

此外，旋轉(zhuǎn)機器人能夠進行三體磨蝕拋光。在此過程中，旋轉(zhuǎn)機器人和被拋光表面之間會捕獲堅硬的二氧化硅顆粒，以納米級精度逐漸去除材料。這種方法可產(chǎn)生鏡面般光滑的表面，可與離子束拋光和磁流變拋光等最先進的技術(shù)相媲美，但成本和設(shè)備尺寸僅為后者的一小部分。

通過多個Spinbot操作實現(xiàn)多層工藝的可擴展性。圖片來源：H.Je等人，《小型結(jié)構(gòu)》(2024年)。DOI：10.1002/sstr.202400245

旋轉(zhuǎn)機器人技術(shù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是其可持續(xù)性。傳統(tǒng)的拋光和清潔方法需要大量能源，并且經(jīng)常使用危險化學(xué)品。相比之下，旋轉(zhuǎn)機器人由磁場驅(qū)動，無需使用此類化學(xué)品，減少了對環(huán)境的影響。此外，機器人可重復(fù)使用，進一步增強了該技術(shù)的可持續(xù)性。

研究團隊設(shè)想未來將旋轉(zhuǎn)機器人技術(shù)集成到自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中，以更低的成本和最小的環(huán)境影響提供超精密制造能力。這一突破代表著向自主制造邁出了重要一步，這些微型機器人可用于從半導(dǎo)體到光學(xué)等各種應(yīng)用。

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