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是什麼卡了我們的脖子—— 通往超精密拋光工藝之巔,路阻且長
2018-06-26 08:15:30 來源: 科技日報
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  亟待攻克的核心技術

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

  事實上,人類對“絕對光滑”的追求也已經從科學幻想轉變為實踐,比如推動“集成電路變身革命”的超精密拋光技術。像《三體》中描述的一樣,當前最為先進的化學機械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)技術也已進入原子尺寸級。而當電子工業強國爭相攀登或到達這一工藝巔峰之時,我們卻還只能仰望。

  現代電子工業,超精密拋光是靈魂

  物理拋光是上世紀80年代之前最為常用的拋光技術,但是電子工業的高速發展對材料器件的尺寸、平整度提出越來越嚴苛的要求。當一塊毫米厚度的基片需要被制成幾十萬層的集成電路時,傳統老舊的拋光工藝已經遠遠不能達到要求。

  “以晶片制造為例,拋光是整個工藝的最後一環,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中心研究院王奇博士向科技日報記者介紹。

  今天的光電子信息産業水平,對作為光電子基片材料的藍寶石、單晶硅等材料的平行度要求越來越精密,已經達到了納米級。這就意味著,拋光工藝也已隨之進入納米級的超精密程度。

  超精密拋光工藝在現代制造業中有多重要,其應用的領域能夠直接説明問題:集成電路制造、醫療器械、汽車配件、數碼配件、精密模具、航空航天。

  王奇説:“超精密拋光技術在現代電子工業中所要完成的使命,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模集成電路。例如人類發明的計算機從幾十噸變身為現在的幾百克,沒有超精密拋光不行,它是技術靈魂。”

  核心技術被雪藏,國內需求受制于人

  浙江晶盛機電股份有限公司是我國電子制造業追逐“全局平坦化”的開路先鋒之一,公司多年從事拋光工藝研發的技術主管孫明告訴記者:“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。”

  孫明所説的“鍋”就是拋光機的核心器件——“磨盤”。超精密拋光對拋光機中磨盤的材料構成和技術要求近乎苛刻,這種由特殊材料合成的鋼盤,不僅要滿足自動化操作的納米級精密度,更要具備精確的熱膨脹係數。

  當拋光機處在高速運轉狀態時,如果熱膨脹作用導致磨盤的熱變形,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的拋光工藝已經可以滿足60英寸基片原材料的精密拋光要求(屬超大尺寸),他們據此掌控著超精密拋光工藝的核心技術,牢牢把握了全球市場的主動權。而事實上,把握住這項技術,也就在很大程度上掌控了電子制造業的發展。

  孫明介紹,日本産拋光機的研磨盤均為定制,不進行批量生産,直接限制了他國倣制;王奇也告訴記者,美國的拋光設備銷往中國,價格一般都在1000萬元以上,而且銷售訂單已經排至2019年年底,此前不接受任何訂單。

  “面對如此嚴密的技術封鎖,我們很急,春秋時期,魯班為人類發明石磨助力了農耕文明,如今我們的電子工業進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,要麼等進口,要麼自主研發。”王奇説。

  登頂技術巔峰,求人不如求己

  其實在超精密拋光領域內,中國並非毫無建樹。作為一套技術要求極高的合成工藝,超精密化學機械拋光工藝精必須由設備和材料(拋光液)組成,二者缺一不可。

  2011年,王奇博士團隊研發的“二氧化鈰微球粒度標準物質及其制備技術”獲得中國石油和化學工業聯合會技術發明一等獎,相關納米級粒度標準物質獲得國家計量器具許可和國家一級標準物質證書。二氧化鈰新材料的超精密拋光生産試驗效果一舉趕超了國外傳統材料,填補了該領域空白。

  但是王奇説:“這並不意味著我們已經攀登到了這一領域的頂峰,對于整體工藝來説,只有拋光液而沒有超精密拋光機,我們最多還只是賣材料的。”

  孫明認為,明確現代電子工業生産制造的具體要求,才能找準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制造的要求,可以概括為超精密、大尺寸。有了頂級的拋光材料僅僅是基礎,以此為基礎,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大問題。”

  孫明介紹,美國、日本拋光機磨盤的材料構成和制作工藝一直是個謎。換言之,購買和使用他們的産品,並不代表可以倣制甚至復制他們的産品,這是兩回事。

  “用什麼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難題,這個問題一旦解決,60英寸拋光作業面也將不再是夢想。而這樣的核心技術,永遠不能指望從別人手中獲得,除了依靠自己,我們別無選擇。”孫明説。(張景陽)

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【糾錯】 責任編輯: 張樵蘇
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