磁性微型旋轉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，利用同時運行的磁性微型旋轉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，為半導體和光學等先進行業(yè)提供了一種輕便、可擴展且經濟高效的替代方案。

該團隊的研究成果發(fā)表在《小型結構》雜志上，強調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技術院(KAIST)的SanhaKim教授和漢陽大學的JeongJae(JJ)Wie教授領導。

在度半導體的生產中，實現(xiàn)金屬層的超低表面粗糙度對于器件性能至關重要。即使是微小的瑕疵也會導致缺陷，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備功能的顆粒至關重要。為了滿足這些嚴格的要求，超精密拋光和清潔技術已成為半導體制造中的關鍵組成部分。

傳統(tǒng)方法，例如化學機械平坦化(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)標準。然而，這些系統(tǒng)存在重大缺陷。CMP設備不僅龐大而復雜，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，對旨在降低生產成本并提高產量的制造商來說是一個重大挑戰(zhàn)。

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

這種裝置雖然比傳統(tǒng)設備小得多、簡單得多，但能夠讓旋轉機器人在表面上自主旋轉和樞轉，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，達到平均粗糙度(Ra)1.8納米的粗糙度水平。

這項技術真正具有突破性的是它能夠同時操作多個旋轉機器人。多達42個旋轉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，但可提供相當甚至更好的結果。

此外，旋轉機器人能夠進行三體磨蝕拋光。在此過程中，旋轉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相媲美，但成本和設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，《小型結構》(2024年)。DOI：10.1002/sstr.202400245

旋轉機器人技術的一個關鍵優(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，并且經常使用危險化學品。相比之下，旋轉機器人由磁場驅動，無需使用此類化學品，減少了對環(huán)境的影響。此外，機器人可重復使用，進一步增強了該技術的可持續(xù)性。

研究團隊設想未來將旋轉機器人技術集成到自動化生產系統(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體到光學等各種應用。

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