Ein Forschungsteam hat eine innovative Technologie für ultrapräzises Polieren und Reinigen von Oberflächen vorgestellt, bei der gleichzeitig magnetische Mikro-Spinbots zum Einsatz kommen. Diese winzigen Roboter, die Verunreinigungen im Nanometerbereich entfernen und polieren können, bieten eine leichte, skalierbare und kostengünstige Alternative für fortschrittliche Branchen wie die Halbleiter- und Optikindustrie.
Die Ergebnisse des Teams waren veröffentlicht im Journal Kleine Strukturenwo sie das Potenzial magnetischer Softroboter hervorheben, die Präzisionsfertigung zu revolutionieren. Die Forscher wurden von Professor Sanha Kim vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und Professor Jeong Jae (JJ) Wie von der Hanyang University geleitet.
Bei der Herstellung hochdichter Halbleiter ist die Erzielung einer extrem geringen Oberflächenrauigkeit der Metallschichten für die Leistungsfähigkeit der Bauelemente von entscheidender Bedeutung. Selbst kleine Unvollkommenheiten können zu Defekten führen, die die Effizienz und Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten beeinträchtigen.
Darüber hinaus ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Oberflächen während des Herstellungsprozesses frei von Verunreinigungen sind, um das Eindringen von Partikeln zu vermeiden, die die Funktionalität der Geräte beeinträchtigen können. Um diese strengen Anforderungen zu erfüllen, sind hochpräzise Polier- und Reinigungstechnologien zu Schlüsselkomponenten in der Halbleiterfertigung geworden.
Traditionelle Methoden wie die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) und Reinigungssysteme nach der CMP sind der Industriestandard für die Oberflächenplanarisierung und die Entfernung von Verunreinigungen. Diese Systeme haben jedoch erhebliche Nachteile. CMP-Geräte sind nicht nur groß und komplex, sondern auch extrem teuer, was ihre Skalierung oder Aufrüstung erschwert.
Darüber hinaus sind die in diesen Prozessen verwendeten Verbrauchsmaterialien wie Polierpads, Schleifmittel und Reinigungsbürsten teuer und müssen häufig ausgetauscht werden, was die Betriebskosten in die Höhe treibt. Diese Kombination aus hohen Anschaffungskosten und laufendem Wartungsaufwand stellt eine große Herausforderung für Hersteller dar, die ihre Produktionskosten senken und gleichzeitig den Ertrag steigern möchten.
Betätigung mehrerer Spinbots unter Wasser. Bildnachweis: H. Je et al., Kleine Struktur (2024). DOI: 10.1002/sstr.202400245
Um diese Herausforderungen anzugehen, entwickelte das Forschungsteam „Spinbots“, Mikroroboter, die durch externe Magnetfelder angetrieben werden und hochpräzise Oberflächen polieren und reinigen. Die Spinbots bestehen aus thermoplastischem Polyurethan-Fe3O4-Nanokomposit und werden durch einen Magnetrührer gesteuert, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt.
Dieser Aufbau ist zwar viel kleiner und einfacher als herkömmliche Geräte, ermöglicht es den Spinbots jedoch, sich autonom über Oberflächen zu drehen und zu schwenken, wodurch eine bemerkenswerte Reinigungseffizienz von 99,6 % beim Entfernen nanometergroßer Verunreinigungen erreicht wird. Zusätzlich zu ihren Reinigungsfähigkeiten können diese Roboter Oberflächen auf eine erstaunliche Glätte polieren und dabei Rauheitsgrade von bis zu durchschnittlich 1,8 nm (Ra) erreichen.
Was diese Technologie wirklich bahnbrechend macht, ist ihre Fähigkeit, mehrere Spinbots gleichzeitig zu betreiben. Bis zu 42 Spinbots arbeiteten zusammen auf drei vertikal gestapelten Wafern und boten damit eine beispiellose Skalierbarkeit und Effizienz in der Oberflächentechnik. Trotz seines geringen Maßstabs ist das Spinbot-System 1.000 Mal leichter als herkömmliche Polierwerkzeuge und liefert dennoch vergleichbare oder sogar bessere Ergebnisse.
Darüber hinaus sind die Spinbots in der Lage, Dreikörper-Abrasionspolitur durchzuführen. Bei diesem Verfahren werden harte Silikapartikel zwischen dem Spinbot und der zu polierenden Oberfläche eingefangen, wodurch das Material nach und nach mit nanometergenauer Präzision abgetragen wird. Diese Methode erzeugt eine spiegelglatte Oberfläche, die mit modernsten Techniken wie Ionenstrahlpolieren und magnetorheologischem Polieren mithalten kann, jedoch zu einem Bruchteil der Kosten und der Gerätegröße.
Einer der Hauptvorteile der Spinbot-Technologie ist ihre Nachhaltigkeit. Herkömmliche Polier- und Reinigungsmethoden erfordern große Mengen an Energie und verwenden häufig gefährliche Chemikalien. Im Gegensatz dazu werden die Spinbots durch ein Magnetfeld angetrieben, wodurch der Bedarf an solchen Chemikalien entfällt und die Umweltbelastung verringert wird. Darüber hinaus sind die Roboter wiederverwendbar, was die Nachhaltigkeit der Technologie weiter erhöht.
Das Forschungsteam sieht eine Zukunft vor, in der die Spinbot-Technologie in automatisierte Produktionssysteme integriert wird und ultrapräzise Fertigungsmöglichkeiten zu geringeren Kosten und mit minimaler Umweltbelastung bietet. Dieser Durchbruch stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung autonomer Fertigung dar, in der diese Mikroroboter in Anwendungen von Halbleitern bis hin zu Optik und darüber hinaus eingesetzt werden könnten.
Weitere Informationen:
Hyeongmin Je et al, Räumlich selektives Ultrapräzisionspolieren und Reinigen durch kollektives Verhalten von Mikro-Spinbots, Kleine Strukturen (2024). DOI: 10.1002/sstr.202400245