磁性微型旋转机器人可进行超精密表面抛光和清洁

一个研究小组公布了一项创新技术，利用同时运行的磁性微型旋转机器人进行超精密表面抛光和清洁。这些微型机器人能够去除和抛光纳米级污染物，为半导体和光学等先进行业提供了一种轻便、可扩展且经济高效的替代方案。

该团队的研究成果发表在《小型结构》杂志上，强调了磁性软机器人革新精密制造业的潜力。研究人员由韩国科学技术院(KAIST)的SanhaKim教授和汉阳大学的JeongJae(JJ)Wie教授领导。

在度半导体的生产中，实现金属层的超低表面粗糙度对于器件性能至关重要。即使是微小的瑕疵也会导致缺陷，从而降低电子元件的效率和可靠性。

此外，确保制造过程中表面无污染物对于避免引入可能损害设备功能的颗粒至关重要。为了满足这些严格的要求，超精密抛光和清洁技术已成为半导体制造中的关键组成部分。

传统方法，例如化学机械平坦化(CMP)和CMP后清洁系统，一直是表面平坦化和污染物去除的行业标准。然而，这些系统存在重大缺陷。CMP设备不仅庞大而复杂，而且极其昂贵，难以扩展或升级。

此外，这些工艺中使用的耗材(例如抛光垫、研磨浆和清洁刷)价格昂贵，需要频繁更换，从而增加了运营费用。高昂的前期成本和持续的维护要求，对旨在降低生产成本并提高产量的制造商来说是一个重大挑战。

为了应对这些挑战，研究团队开发了“旋转机器人”，这是一种由外部磁场驱动的微型机器人，可进行超精密表面抛光和清洁。旋转机器人由热塑性聚氨酯-Fe3O4纳米复合材料制成，由磁力搅拌器控制，产生旋转磁场。

这种装置虽然比传统设备小得多、简单得多，但能够让旋转机器人在表面上自主旋转和枢转，在去除纳米级污染物时可实现99.6%的出色清洁效率。除了清洁能力之外，这些机器人还可以将表面打磨到惊人的光滑度，达到平均粗糙度(Ra)1.8纳米的粗糙度水平。

这项技术真正具有突破性的是它能够同时操作多个旋转机器人。多达42个旋转机器人在三个垂直堆叠的晶圆上协同工作，为表面工程提供了前所未有的可扩展性和效率。尽管规模很小，但旋转机器人系统比传统的抛光工具轻1,000倍，但可提供相当甚至更好的结果。

此外，旋转机器人能够进行三体磨蚀抛光。在此过程中，旋转机器人和被抛光表面之间会捕获坚硬的二氧化硅颗粒，以纳米级精度逐渐去除材料。这种方法可产生镜面般光滑的表面，可与离子束抛光和磁流变抛光等最先进的技术相媲美，但成本和设备尺寸仅为后者的一小部分。

通过多个Spinbot操作实现多层工艺的可扩展性。图片来源：H.Je等人，《小型结构》(2024年)。DOI：10.1002/sstr.202400245

旋转机器人技术的一个关键优势是其可持续性。传统的抛光和清洁方法需要大量能源，并且经常使用危险化学品。相比之下，旋转机器人由磁场驱动，无需使用此类化学品，减少了对环境的影响。此外，机器人可重复使用，进一步增强了该技术的可持续性。

研究团队设想未来将旋转机器人技术集成到自动化生产系统中，以更低的成本和最小的环境影响提供超精密制造能力。这一突破代表着向自主制造迈出了重要一步，这些微型机器人可用于从半导体到光学等各种应用。

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