Le polissage d'ultra-précision fait généralement référence à l'utilisation de microparticules abrasives d'une taille de particules de seulement quelques nanomètres comme abrasifs de polissage, qui sont injectées dans un outil de rodage pour éliminer d'infimes quantités de matériau de la pièce, obtenant ainsi une précision géométrique et une rugosité de surface spécifiées. Une telle précision de polissage extrêmement élevée impose de plus grands défis en matière de techniques, d'équipements et de matériaux de polissage.
Dans l'électronique moderne, le polissage d'ultra-précision a non seulement pour mission de planariser différents matériaux, mais également de planariser des empilements multi-couches, permettant à une plaquette de silicium de seulement quelques millimètres carrés de former des circuits intégrés à très-grande-échelle composés de dizaines de milliers à des millions de transistors grâce à la « planarisation globale ». Par exemple, le fait que les ordinateurs soient passés de dizaines de tonnes à quelques centaines de grammes n'aurait pas été possible sans un polissage d'ultra-précision.
Actuellement, le Japon, les États-Unis et l'Allemagne occupent des positions de leader dans le domaine des machines-outils d'ultra-précision. Ils contrôlent les technologies de base des processus de polissage d'ultra-précision et contrôlent fermement l'initiative du marché mondial. En revanche, le développement de la Chine dans le domaine de la technologie de polissage d'ultra-précision se heurte à certaines contraintes. Par conséquent, la manière de surmonter les goulots d'étranglement techniques dans le polissage d'ultra-précision est devenue un point central de préoccupation dans le domaine du rodage et du polissage en Chine.
01 Équipement – Bloqué
Le polissage de haute-précision est généralement utilisé dans des-domaines haut de gamme tels que l'optique, les semi-conducteurs et l'aérospatiale, où une précision extrême de la forme, une précision dimensionnelle et une intégrité de la surface (aucun dommage de surface ou un minimum, y compris des micro-fissures, des contraintes résiduelles et des changements microstructuraux) sont requises. Cela impose des exigences extrêmement élevées aux équipements de polissage.
Pour garantir la précision du polissage, les équipements de polissage d'ultra-précision nécessitent également des structures mécaniques très stables. Le « plateau de polissage » – un composant essentiel de l'équipement – impose des exigences encore plus strictes en matière de composition des matériaux et de technologie. Ce plateau, fabriqué à partir de matériaux composites spécialisés, doit non seulement répondre à une précision à l'échelle nanométrique pour les opérations automatisées, mais également posséder un coefficient de dilatation thermique contrôlé avec précision, empêchant la chaleur générée par le frottement lors d'une rotation à grande vitesse-de provoquer une déformation thermique du plateau, qui autrement affecterait la stabilité de la précision de l'usinage et, finalement, la planéité et le parallélisme du produit. Généralement, pour obtenir une précision de polissage inférieure au micron ou même au nanomètre, la déformation thermique de la platine doit être contrôlée à quelques nanomètres près.
À l'heure actuelle, les plateaux de polissage de haute-précision sont pour la plupart-fabriqués sur mesure plutôt que produits en masse-, ce qui limite directement la réplication en dehors de pays comme les États-Unis et le Japon. Ainsi, ces pays détiennent fermement la technologie de production de plateaux de haute-précision. Depuis longtemps, la Chine est confrontée à des embargos technologiques stricts. La question de savoir quels matériaux et procédés peuvent synthétiser de tels plateaux avec une faible dilatation thermique, une résistance élevée à l'usure et des surfaces de rodage d'ultra-précision sont des défis techniques que les entreprises et les instituts de recherche chinois doivent se concentrer sur la résolution.
De plus, pour les composants optiques à petite- à moyenne-ouverture (inférieure à 200 mm), les équipements domestiques sont généralement capables. Cependant, dans le domaine des rectifieuses d'ultra-précision à moyenne- à grande-ouverture (au-dessus de 400 mm) – actuellement, il n'existe aucun équipement domestique commercialement viable en Chine. Cela signifie que pour les miroirs de grand -diamètre utilisés dans les télescopes astronomiques, les installations de fusion laser et les machines de lithographie EUV, nous ne pouvons toujours pas passer l'étape de meulage. Quel est l'état de l'art-international-de- ? Le Cranfield OGM2500 du Royaume-Uni a un diamètre d'usinage maximum de 2,5 mètres. La machine-outil britannique BOX, utilisée pour traiter des miroirs de 1,45- mètres pour le télescope européen de très grande taille, atteint une précision de forme de surface PV < 1 μm, avec un cycle de production d'une seule pièce de moins de 20 heures. L'OptoTech UPG500 d'Allemagne possède la maturité commerciale la plus élevée.
02 Matériaux – toujours dépendants des importations
En prenant le CMP (polissage/planarisation chimique-mécanique) comme exemple, avec l'évolution des nœuds de processus avancés et du packaging avancé, le CMP a progressivement abandonné son rôle auxiliaire traditionnel pour devenir le quatrième processus principal dans la fabrication de circuits intégrés, aux côtés de la lithographie, de la gravure et du dépôt de couches minces. Dans le contexte d'une évolution continue vers des nœuds avancés et des architectures tridimensionnelles-, le CMP est devenu une étape critique affectant la planéité globale des plaquettes et le rendement du processus.
Les matériaux de base du CMP comprennent des boues et des tampons de polissage. Parmi eux, la boue est le fluide clé déterminant la qualité du traitement CMP et le taux d'élimination, tandis que le tampon de polissage joue un rôle crucial en tant que support physique et élément de transfert de contrainte pendant le processus CMP. Il existe de nombreux types de boues, représentant plus de 50 % de la valeur des matériaux de polissage, et leur consommation augmente avec la production de plaquettes et le nombre d'étapes de planarisation CMP.
Les matériaux de polissage CMP présentent des barrières techniques extrêmement élevées. En raison du démarrage tardif de la Chine dans ce domaine, les brevets essentiels ont longtemps été monopolisés par des géants étrangers. Les formulations de boues sont complexes, les cycles de R&D et de validation sont longs et les processus de production et les exigences de contrôle des processus sont rigoureux. De plus, les particules abrasives de haute pureté- dépendent depuis longtemps des importations, et la chaîne d'approvisionnement principale en amont reste contrôlée par des sociétés étrangères.
Les particules abrasives constituent la matière première principale des boues ; les produits courants comprennent les particules d'oxyde de cérium, de silice et d'alumine. Un chercheur a noté que pour les processus matures de puces de 28 nm, la substitution nationale est théoriquement réalisable sur le marché intérieur, mais que pour les nœuds plus avancés, l'approvisionnement en abrasifs est toujours confronté à des défis, qui affectent directement le contrôle des impuretés métalliques dans la boue.
Là encore, nous sommes bloqués.
03 Technologies de procédés – encore en phase d’essai
(1) Finition Magnétorhéologique (MRF)
La finition magnétorhéologique est une technologie de fabrication optique avancée développée à l'étranger dans les années 1980 et QED (États-Unis) a commencé à la commercialiser en 1997. Cette technique utilise les propriétés rhéologiques du fluide magnétorhéologique dans un champ magnétique pour polir les pièces. Lorsque le fluide pénètre dans la zone de polissage, il se transforme en un milieu viscoplastique sous le champ magnétique, formant un « tampon de polissage flexible ». Le contact avec la surface optique génère une contrainte de cisaillement importante, permettant un enlèvement de matière stable pour le polissage et le façonnage. Il répond efficacement à des exigences telles qu'une précision d'usinage élevée, une convergence rapide, une bonne qualité de surface, de faibles dommages souterrains et des erreurs de fréquence moyenne- et haute-spatiales-contrôlables. Il est largement applicable aux lentilles sphériques, aux lentilles asphériques, aux prismes, aux surfaces de forme libre, etc.
(2) Calcul de faisceau d'ions (IBF)
La tendance en matière de traitement optique asphérique à grande ouverture-est vers une déviation plus élevée, des pentes plus raides et une précision plus élevée. Pour y répondre, Eastman Kodak (USA) a proposé la modélisation par faisceau d'ions. Cette technique, réalisée dans une chambre à vide, utilise un faisceau d'ions avec une énergie et une distribution spatiale définies pour bombarder la surface du miroir. L'élimination de matière s'effectue par dépôt d'énergie sans-contact, offrant une nouvelle option technologique pour la détermination de haute-précision des grandes asphériques. En raison de sa grande précision de calcul et de l’absence de dommages souterrains, elle est, avec MRF, largement reconnue comme l’une des deux technologies de traitement optique les plus innovantes développées au cours des trente dernières années.
(3) Polissage/planarisation chimico-mécanique (CMP)
CMP est actuellement la seule technologie de planarisation capable d'obtenir une planéité de surface globale et locale. Il a été proposé pour la première fois par Monsanto (États-Unis) en 1965, mais ne s'appliquait initialement qu'à l'obtention de surfaces en verre de haute-qualité, comme pour les télescopes militaires. Plus tard, parce qu’il combine de manière unique la corrosion chimique et l’abrasion mécanique, réduisant les variations de processus et produisant des surfaces planarisées à l’échelle nanométrique, des entreprises comme IBM, Intel et Applied Materials l’ont progressivement adopté dans la fabrication de semi-conducteurs.
Dans le domaine du polissage d'ultra-précision, les pays étrangers, notamment le Japon, l'Allemagne et les États-Unis, disposent d'avantages significatifs. En termes d'équipement et de niveaux de processus, ces pays ont déjà atteint une précision de polissage de niveau nanométrique-, tandis que la Chine est encore dans une certaine mesure en retard par rapport au niveau avancé international.