Magnetische micro spinbots kunnen uiterst nauwkeurig oppervlaktepolijsten en reinigen

Een onderzoeksteam heeft een innovatieve technologie onthuld voor ultraprecieze oppervlaktepolijsting en -reiniging met behulp van gelijktijdig werkende magnetische microspinbots. Deze kleine robots, die in staat zijn om nanometerschaal verontreinigingen te verwijderen en te polijsten, bieden een lichtgewicht, schaalbaar en kosteneffectief alternatief voor geavanceerde industrieën zoals halfgeleiders en optica.

De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in het dagboek Kleine structurenwaar ze het potentieel van magnetische zachte robots benadrukken om precisieproductie te revolutioneren. De onderzoekers werden geleid door professor Sanha Kim van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) en professor Jeong Jae (JJ) Wie van de Hanyang University.

Bij de productie van halfgeleiders met hoge dichtheid is het bereiken van een ultralage oppervlakteruwheid op metaallagen cruciaal voor de prestaties van het apparaat. Zelfs kleine onvolkomenheden kunnen leiden tot defecten die de efficiëntie en betrouwbaarheid van elektronische componenten aantasten.

Bovendien is het essentieel om ervoor te zorgen dat oppervlakken vrij zijn van verontreinigingen tijdens het productieproces om te voorkomen dat er deeltjes worden geïntroduceerd die de functionaliteit van apparaten in gevaar kunnen brengen. Om aan deze strenge eisen te voldoen, zijn ultraprecisiepolijst- en reinigingstechnologieën belangrijke componenten geworden in de halfgeleiderfabricage.

Traditionele methoden, zoals chemisch-mechanische planarisatie (CMP) en post-CMP-reinigingssystemen, zijn de industriestandaard voor oppervlakteplanarisatie en verwijdering van verontreinigingen. Deze systemen hebben echter aanzienlijke nadelen. CMP-apparatuur is niet alleen groot en complex, maar ook extreem duur, waardoor het moeilijk is om te schalen of te upgraden.

Bovendien zijn de verbruiksartikelen die in deze processen worden gebruikt, zoals polijstpads, schuurslib en reinigingsborstels, kostbaar en moeten ze vaak worden vervangen, waardoor de operationele kosten stijgen. Deze combinatie van hoge initiële kosten en voortdurende onderhoudsvereisten vormt een grote uitdaging voor fabrikanten die de productiekosten willen verlagen en tegelijkertijd de opbrengst willen verbeteren.

Om deze uitdagingen aan te pakken, ontwikkelde het onderzoeksteam “spinbots”, microrobots die worden aangestuurd door externe magnetische velden en die ultraprecieze oppervlaktepolijsting en -reiniging uitvoeren. De spinbots, gemaakt van thermoplastisch polyurethaan-Fe₃O₄ nanocomposiet, worden aangestuurd door een magnetische roerder, waardoor een roterend magnetisch veld ontstaat.

Deze opstelling, hoewel veel kleiner en eenvoudiger dan traditionele apparatuur, stelt de spinbots in staat om autonoom te roteren en te draaien over oppervlakken, wat een opmerkelijke reinigingsefficiëntie van 99,6% oplevert bij het verwijderen van nanometergrote verontreinigingen. Naast hun reinigingscapaciteiten kunnen deze robots oppervlakken polijsten tot een verbazingwekkende gladheid, waarbij ruwheidsniveaus worden bereikt die zo laag zijn als gemiddelde ruwheid (Ra) 1,8 nm.

Wat deze technologie echt baanbrekend maakt, is het vermogen om meerdere spinbots tegelijkertijd te bedienen. Er werd aangetoond dat maximaal 42 spinbots samenwerkten op drie verticaal gestapelde wafers, wat ongekende schaalbaarheid en efficiëntie in oppervlaktetechniek bood. Ondanks de kleine schaal is het spinbotsysteem 1000 keer lichter dan conventionele polijstgereedschappen, maar levert het vergelijkbare of zelfs superieure resultaten.

Bovendien zijn de spinbots in staat om drie-lichaams abrasiepolijsten uit te voeren. Bij dit proces worden harde silicadeeltjes tussen de spinbot en het te polijsten oppervlak opgevangen, waardoor materiaal geleidelijk met nanometerprecisie wordt verwijderd. Deze methode produceert een spiegelgladde afwerking, die kan wedijveren met state-of-the-arttechnieken zoals ionenbundelpolijsten en magnetorheologisch polijsten, maar dan voor een fractie van de kosten en de omvang van de apparatuur.

Een van de belangrijkste voordelen van spinbottechnologie is de duurzaamheid ervan. Traditionele polijst- en reinigingsmethoden vereisen grote hoeveelheden energie en gebruiken vaak gevaarlijke chemicaliën. De spinbots worden daarentegen aangestuurd door een magnetisch veld, waardoor dergelijke chemicaliën niet meer nodig zijn en de impact op het milieu afneemt. Bovendien zijn de robots herbruikbaar, wat de duurzaamheid van de technologie verder vergroot.

Het onderzoeksteam voorziet een toekomst waarin spinbottechnologie wordt geïntegreerd in geautomatiseerde productiesystemen, en ultraprecieze productiemogelijkheden biedt tegen lagere kosten en met minimale impact op het milieu. Deze doorbraak vertegenwoordigt een belangrijke stap richting autonome productie, waarbij deze microrobots kunnen worden gebruikt in toepassingen variërend van halfgeleiders tot optica en meer.