磁性微自旋机器人可以进行超精密的表面抛光和清洁

一个研究小组公布了一种使用同时操作的磁性微自旋机器人进行超精密表面抛光和清洁的创新技术。这些微型机器人能够进行纳米级污染物去除和抛光，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

该团队的研究结果已发表在《小型结构》杂志上，在该杂志上，他们强调了磁性软机器人在精密制造革命中的潜力。研究人员由韩国科学技术院（KAIST）的Sanha Kim教授和汉阳大学的Jeong Jae（JJ）Wie教授领导

在高密度半导体的生产中，在金属层上实现超低表面粗糙度对器件性能至关重要。即使是微小的缺陷也会导致降低电子元件效率和可靠性的缺陷

此外，确保在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的关键部件

传统方法，如化学机械平面化（CMP）和CMP后清洁系统，一直是表面平面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设备不仅庞大复杂，而且极其昂贵，难以扩展或升级

此外，这些过程中使用的耗材，如抛光垫、研磨浆和清洁刷，成本高昂，需要频繁更换，从而推高了运营成本。高昂的前期成本和持续的维护要求相结合，对旨在降低生产成本同时提高产量的制造商构成了重大挑战

为了应对这些挑战，研究团队开发了“自旋机器人”，这是一种由外部磁场驱动的微型机器人，可以进行超精密表面抛光和清洁。自旋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

这种设置虽然比传统设备小得多，也简单得多，但使自旋机器人能够在表面上自主旋转和枢转，在去除纳米级污染物时实现了99.6%的显著清洁效率。除了清洁能力外，这些机器人还可以将表面抛光到惊人的光滑度，达到平均粗糙度（Ra）1.8nm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自旋机器人。多达42个自旋机器人被证明可以在三个垂直堆叠的晶片上协同工作，在表面工程中提供了前所未有的可扩展性和效率。尽管规模很小，但自旋机器人系统比传统抛光工具轻1000倍，但可以提供可比甚至更优的结果

此外，spinbots能够进行三体研磨抛光。在这个过程中，硬二氧化硅颗粒被捕获在自旋机器人和被抛光的表面之间，以纳米级的精度逐渐去除材料。这种方法可以产生镜面光滑的表面，与离子束抛光和磁流变抛光等最先进的技术相媲美，但成本和设备尺寸只有前者的一小部分

spinbot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的能源，并且经常使用危险化学品。相比之下，自旋机器人由磁场驱动，消除了对此类化学物质的需求，减少了对环境的影响。此外，这些机器人是可重复使用的，进一步增强了该技术的可持续性

研究团队设想了一个未来，在这个未来，自旋机器人技术被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。这一突破标志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领域 More information: Hyeongmin Je et al, Spatially Selective Ultraprecision Polishing and Cleaning by Collective Behavior of Micro Spinbots, Small Structures (2024). DOI: 10.1002/sstr.202400245