超精密拋光工藝應(yīng)用于集成電路制造、醫(yī)療器械、汽車配件、數(shù)碼配件、精密模具、航空航天

在茫茫宇宙中，一個(gè)類金屬合金宇宙探測器以超光速掠過，它由被強(qiáng)互作用力鎖死的質(zhì)子與中子構(gòu)成，因表面絕對(duì)光滑而可以反射一切電磁波，并且無堅(jiān)不摧……這是劉慈欣在科幻小說《三體》中提到的一種名叫“水滴”的宇宙飛行器。

　　事實(shí)上，人類對(duì)“絕對(duì)光滑”的追求也已經(jīng)從科學(xué)幻想轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐，比如推動(dòng)“集成電路變身革命”的超精密拋光技術(shù)。像《三體》中描述的一樣，當(dāng)前最為先進(jìn)的化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)技術(shù)也已進(jìn)入原子尺寸級(jí)。而當(dāng)電子工業(yè)強(qiáng)國爭相攀登或到達(dá)這一工藝巔峰之時(shí)，我們卻還只能仰望。

　　現(xiàn)代電子工業(yè)，超精密拋光是靈魂

　　物理拋光是上世紀(jì)80年代之前最為常用的拋光技術(shù)，但是電子工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)材料器件的尺寸、平整度提出越來越嚴(yán)苛的要求。當(dāng)一塊毫米厚度的基片需要被制成幾十萬層的集成電路時(shí)，傳統(tǒng)老舊的拋光工藝已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。

　　“以晶片制造為例，拋光是整個(gè)工藝的最后一環(huán)，目的是改善晶片加工前一道工藝所留下的微小缺陷以獲得最佳的平行度。”中科院國家納米科學(xué)中心研究員王奇博士向科技日?qǐng)?bào)記者介紹。

　　今天的光電子信息產(chǎn)業(yè)水平，對(duì)作為光電子基片材料的藍(lán)寶石、單晶硅等材料的平行度要求越來越精密，已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)。這就意味著，拋光工藝也已隨之進(jìn)入納米級(jí)的超精密程度。

　　超精密拋光工藝在現(xiàn)代制造業(yè)中有多重要，其應(yīng)用的領(lǐng)域能夠直接說明問題：集成電路制造、醫(yī)療器械、汽車配件、數(shù)碼配件、精密模具、航空航天。

　　王奇說：“超精密拋光技術(shù)在現(xiàn)代電子工業(yè)中所要完成的使命，不僅僅是平坦化不同的材料，而且要平坦化多層材料，使得幾毫米見方的硅片通過這種‘全局平坦化’形成上萬至百萬晶體管組成的超大規(guī)模集成電路。例如人類發(fā)明的計(jì)算機(jī)從幾十噸變身為現(xiàn)在的幾百克，沒有超精密拋光不行，它是技術(shù)靈魂。”

　　核心技術(shù)被雪藏，國內(nèi)需求受制于人

　　浙江晶盛機(jī)電股份有限公司是我國電子制造業(yè)追逐“全局平坦化”的開路先鋒之一，公司多年從事拋光工藝研發(fā)的技術(shù)主管孫明告訴記者：“如果把拋光工藝比作做煎餅，卡我們脖子的就是鍋，別人的鍋不粘鍋底，而我們做不到?！?

　　孫明所說的“鍋”就是拋光機(jī)的核心器件——“磨盤”。超精密拋光對(duì)拋光機(jī)中磨盤的材料構(gòu)成和技術(shù)要求近乎苛刻，這種由特殊材料合成的鋼盤，不僅要滿足自動(dòng)化操作的納米級(jí)精密度，更要具備精確的熱膨脹系數(shù)。

　　當(dāng)拋光機(jī)處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，如果熱膨脹作用導(dǎo)致磨盤的熱變形，基片的平面度和平行度就無法保證。而這種不能被允許發(fā)生的熱變形誤差不是幾毫米或幾微米，而是幾納米。

　　目前，美國日本等國際頂級(jí)的拋光工藝已經(jīng)可以滿足60英寸基片原材料的精密拋光要求(屬超大尺寸)，他們據(jù)此掌控著超精密拋光工藝的核心技術(shù)，牢牢把握了全球市場的主動(dòng)權(quán)。而事實(shí)上，把握住這項(xiàng)技術(shù)，也就在很大程度上掌控了電子制造業(yè)的發(fā)展。

　　孫明介紹，日本產(chǎn)拋光機(jī)的研磨盤均為定制，不進(jìn)行批量生產(chǎn)，直接限制了他國仿制;王奇也告訴記者，美國的拋光設(shè)備銷往中國，價(jià)格一般都在1000萬元以上，而且銷售訂單已經(jīng)排至2019年年底，此前不接受任何訂單。

　　“面對(duì)如此嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，我們很急，春秋時(shí)期，魯班為人類發(fā)明石磨助力了農(nóng)耕文明，如今我們的電子工業(yè)進(jìn)步卻再次被一種磨盤卡住了脖子。但是再急，目前我們還得等，要么等進(jìn)口，要么自主研發(fā)?！蓖跗嬲f。

　　登頂技術(shù)巔峰，求人不如求己

　　其實(shí)在超精密拋光領(lǐng)域內(nèi)，中國并非毫無建樹。作為一套技術(shù)要求極高的合成工藝，超精密化學(xué)機(jī)械拋光工藝精必須由設(shè)備和材料(拋光液)組成，二者缺一不可。

　　2011年，王奇博士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“二氧化鈰微球粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其制備技術(shù)”獲得中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，相關(guān)納米級(jí)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)獲得國家計(jì)量器具許可和國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書。二氧化鈰新材料的超精密拋光生產(chǎn)試驗(yàn)效果一舉趕超了國外傳統(tǒng)材料，填補(bǔ)了該領(lǐng)域空白。

　　但是王奇說：“這并不意味著我們已經(jīng)攀登到了這一領(lǐng)域的頂峰，對(duì)于整體工藝來說，只有拋光液而沒有超精密拋光機(jī)，我們最多還只是賣材料的?！?

　　孫明認(rèn)為，明確現(xiàn)代電子工業(yè)生產(chǎn)制造的具體要求，才能找準(zhǔn)攻克超精密拋光工藝的方向：“拋光工藝需要滿足目前電子工業(yè)制造的要求，可以概括為超精密、大尺寸。有了頂級(jí)的拋光材料僅僅是基礎(chǔ)，以此為基礎(chǔ)，我們還需要分兩步走，首先解決磨盤問題，其次解決拋光面積擴(kuò)大問題?！?

　　孫明介紹，美國、日本拋光機(jī)磨盤的材料構(gòu)成和制作工藝一直是個(gè)謎。換言之，購買和使用他們的產(chǎn)品，并不代表可以仿制甚至復(fù)制他們的產(chǎn)品，這是兩回事。

　　“用什么材料和工藝才能合成這種熱膨脹率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盤，是我們首先需要集中力量攻克的技術(shù)難題，這個(gè)問題一旦解決，60英寸拋光作業(yè)面也將不再是夢想。而這樣的核心技術(shù)，永遠(yuǎn)不能指望從別人手中獲得，除了依靠自己，我們別無選擇?！睂O明說。(記者 張景陽)