磁性微型自旋机器人：超精密表面处理神器

一个研究团队披露了一项创新技术，该技术借助同时运行的磁性微型旋转机器人来实现超精密表面抛光和清洁。

这些微型机器人能够去除纳米级污染物并进行抛光，为半导体和光学等前沿行业提供了一种轻巧、可拓展且性价比高的替代方案。

该团队的研究成果已在《小型结构》杂志上发表，其中着重强调了磁性软机器人在变革精密制造领域方面的潜力。

研究人员由来自韩国科学技术院（KAIST）的 Sanha Kim 教授和汉阳大学的 Jeong Jae（JJ）Wie 教授领衔。

在高密度半导体的生产过程中，在金属层上实现超低的表面粗糙度对于器件性能极为重要。

即使是微小的缺陷，也可能导致电子元件的效率和可靠性降低。

此外，在制造过程中确保表面没有污染物，对于避免引入可能损害器件功能的颗粒，是至关重要的。

为了满足这些严苛要求，超精密抛光和清洁技术已成为半导体制造中的关键构成部分。

传统方法，如化学机械平坦化（CMP）和 CMP 后清洗系统，一直是实现表面平坦化和污染物去除的行业标准手段。然而，这些系统具有显著的缺陷。CMP 设备不仅体积大、结构复杂，而且极其昂贵，导致其难以进行规模扩展或升级。

此外，这些过程中使用的消耗品，如抛光垫、研磨浆和清洁刷，价格高昂且需要频繁地进行更换，从而推高了运营费用。这种高昂的前期成本和持续的维护需求相结合，给那些旨在降低生产成本同时提高产量的制造商带来了重大挑战。

为应对这些挑战，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，可进行超精密表面抛光和清洁。由热塑性聚氨酯 - Fe3O4纳米复合材料制成的自旋机器人由磁力搅拌器控制，从而产生旋转磁场。

这种设置相较于传统设备，不仅规模小得多，而且结构也简单得多，能使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，实现了高达 99.6%这一显著的清洁效率。除了清洁能力外，这些机器人还能将表面抛光到令人惊讶的光滑度，粗糙度水平低至平均粗糙度（Ra）1.8 纳米。

真正让这项技术具有开创性的，在于它能够同时操控多个旋转机器人。多达 42 个旋转机器人被展示为在三个垂直堆叠的晶圆上协同工作，在表面工程中提供了前所未有的可扩展性和效率。尽管规模较小，但旋转机器人系统比传统抛光工具轻 1000 倍，却能提供相当甚至更优的结果。

此外，旋转机器人能够进行三体磨损抛光。在这一过程中，硬硅颗粒被夹在旋转机器人与被抛光的表面之间，逐渐以纳米级精度去除材料。这种方法能产生如镜面般光滑的表面，可与离子束抛光和磁流变抛光等先进技术相媲美，然而其成本和设备尺寸却只是前者的一小部分。

自旋机器人技术的关键优势之一是其可持续性。传统的抛光和清洁方法需要大量能源，并且经常使用有害化学物质。相比之下，自旋机器人由磁场驱动，摆脱了对此类化学物质的依赖，从而减少了对环境的影响。此外，这些机器人可重复使用，进一步增强了该技术的可持续性。

研究团队设想了这样一个未来：自旋机器人技术将被融入自动化生产系统中，以更低的成本提供超精密制造能力，并将环境影响降至最低。这一突破是迈向自主制造的关键一步，这些微型机器人能够应用于从半导体到光学等诸多领域以及其他领域。