磁性微型自旋機器人：超精密表面處理神器

一個研究團隊披露了一項創新技術，該技術藉助同時運行的磁性微型旋轉機器人來實現超精密表面拋光和清潔。

這些微型機器人能夠去除納米級污染物並進行拋光，爲半導體和光學等前沿行業提供了一種輕巧、可拓展且性價比高的替代方案。

該團隊的研究成果已在《小型結構》雜誌上發表，其中着重強調了磁性軟機器人在變革精密製造領域方面的潛力。

研究人員由來自韓國科學技術院（KAIST）的 Sanha Kim 教授和漢陽大學的 Jeong Jae（JJ）Wie 教授領銜。

在高密度半導體的生產過程中，在金屬層上實現超低的表面粗糙度對於器件性能極爲重要。

即使是微小的缺陷，也可能導致電子元件的效率和可靠性降低。

此外，在製造過程中確保表面沒有污染物，對於避免引入可能損害器件功能的顆粒，是至關重要的。

爲了滿足這些嚴苛要求，超精密拋光和清潔技術已成爲半導體制造中的關鍵構成部分。

傳統方法，如化學機械平坦化（CMP）和 CMP 後清洗系統，一直是實現表面平坦化和污染物去除的行業標準手段。然而，這些系統具有顯著的缺陷。CMP 設備不僅體積大、結構複雜，而且極其昂貴，導致其難以進行規模擴展或升級。

此外，這些過程中使用的消耗品，如拋光墊、研磨漿和清潔刷，價格高昂且需要頻繁地進行更換，從而推高了運營費用。這種高昂的前期成本和持續的維護需求相結合，給那些旨在降低生產成本同時提高產量的製造商帶來了重大挑戰。

爲應對這些挑戰，研究團隊開發了“自旋機器人”，這是一種由外部磁場驅動的微型機器人，可進行超精密表面拋光和清潔。由熱塑性聚氨酯 - Fe3O4納米複合材料製成的自旋機器人由磁力攪拌器控制，從而產生旋轉磁場。

這種設置相較於傳統設備，不僅規模小得多，而且結構也簡單得多，能使旋轉機器人在表面上自主旋轉和樞轉，在去除納米級污染物時，實現了高達 99.6%這一顯著的清潔效率。除了清潔能力外，這些機器人還能將表面拋光到令人驚訝的光滑度，粗糙度水平低至平均粗糙度（Ra）1.8 納米。

真正讓這項技術具有開創性的，在於它能夠同時操控多個旋轉機器人。多達 42 個旋轉機器人被展示爲在三個垂直堆疊的晶圓上協同工作，在表面工程中提供了前所未有的可擴展性和效率。儘管規模較小，但旋轉機器人系統比傳統拋光工具輕 1000 倍，卻能提供相當甚至更優的結果。

此外，旋轉機器人能夠進行三體磨損拋光。在這一過程中，硬硅顆粒被夾在旋轉機器人與被拋光的表面之間，逐漸以納米級精度去除材料。這種方法能產生如鏡面般光滑的表面，可與離子束拋光和磁流變拋光等先進技術相媲美，然而其成本和設備尺寸卻只是前者的一小部分。

自旋機器人技術的關鍵優勢之一是其可持續性。傳統的拋光和清潔方法需要大量能源，並且經常使用有害化學物質。相比之下，自旋機器人由磁場驅動，擺脫了對此類化學物質的依賴，從而減少了對環境的影響。此外，這些機器人可重複使用，進一步增強了該技術的可持續性。

研究團隊設想了這樣一個未來：自旋機器人技術將被融入自動化生產系統中，以更低的成本提供超精密製造能力，並將環境影響降至最低。這一突破是邁向自主製造的關鍵一步，這些微型機器人能夠應用於從半導體到光學等諸多領域以及其他領域。