초-정밀 연마란 일반적으로 입자 크기가 수 나노미터에 불과한 연마용 미립자를 연마용 연마재로 사용하는 것을 말하며, 연마용 연마재를 래핑 도구에 주입하여 미세한 양의 가공물 재료를 제거함으로써 지정된 기하학적 정확도와 표면 거칠기를 달성합니다. 이러한 극도로 높은 연마 정밀도는 연마 기술, 장비 및 재료에 더 큰 도전을 안겨줍니다.
현대 전자 제품에서 초정밀 연마는 다양한 재료를 평탄화하는 것뿐만 아니라 다층 스택을 평탄화하는 작업도 담당합니다. 즉, "전역 평탄화"를 통해 수 밀리미터 크기의 실리콘 웨이퍼를 수만 개에서 수백만 개의 트랜지스터로 구성된 초대형-대형{3}} 집적 회로로 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 컴퓨터가 수십 톤에서 불과 몇 백 그램으로 줄어들었다는 사실은 초정밀 연마가 없었다면 불가능했을 것입니다.-
현재 초정밀 공작기계 분야에서는 일본, 미국, 독일이 선두를 차지하고 있습니다.- 그들은 초정밀 연마 공정의 핵심 기술을 장악하고 있으며{2}}글로벌 시장 주도권을 확고히 장악하고 있습니다. 이와 대조적으로, 중국의 초정밀 연마 기술 개발은 특정 제약에 직면해 있습니다. 따라서 초정밀 연마의 기술적 병목 현상을 어떻게 극복할 것인가가 중국 랩핑 및 연마 분야의 주요 관심사가 되었습니다.
01 장비 – 봉쇄
고정밀 연마는 일반적으로 극도의 형태 정확도, 치수 정밀도 및 표면 무결성(미세 균열, 잔류 응력 및 미세 구조 변화를 포함한 표면 손상이 없거나 최소화됨)이 요구되는 광학, 반도체, 항공우주 등 고급 분야에서-일반적으로 사용됩니다. 이로 인해 연마 장비에 대한 요구가 매우 높아졌습니다.
초정밀 연마 장비는 연마 정밀도를 보장하기 위해 매우 안정적인 기계 구조도 필요합니다. 장비의 핵심 구성 요소인 "연마 압반"은 재료 구성 및 기술에 대해 훨씬 더 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 특수 복합재료로 제작된 이 압반은 자동화된 작업을 위해 나노 수준의 정밀도를 충족해야 할 뿐만 아니라 정밀하게 제어된 열팽창 계수를 보유해야 합니다. 고속 회전 시 마찰에 의해 발생하는 열로 인해 압반의 열 변형이 발생하는 것을 방지해야 합니다. 그렇지 않으면 가공 정확도의 안정성은 물론 궁극적으로 제품의 평탄도 및 평행도에 영향을 줄 수 있습니다. 일반적으로 서브-마이크론 또는 나노미터 연마 정확도를 달성하려면 플래튼의 열 변형을 몇 나노미터 이내로 제어해야 합니다.
현재 고정밀 연마 플래튼은 대량 생산이 아닌 -대부분 맞춤식으로 제작되므로-미국이나 일본과 같은 국가 이외의 국가에서는 복제가 직접적으로 제한됩니다. 따라서 이들 국가는 고정밀 플래튼 생산 기술을 확고하게 보유하고 있습니다.- 오랫동안 중국은 엄격한 기술 금수 조치에 직면해 왔습니다. 낮은 열팽창, 높은 내마모성 및 초정밀 래핑 표면을 갖춘 플래튼을 어떤 재료와 프로세스로 합성할 수 있는지에 대한 질문은 중국 기업과 연구 기관이 집중적으로 해결해야 할 기술적 과제입니다.
또한 소형-~중형{1}}조리개(200mm 미만) 광학 부품의 경우 일반적으로 국내 장비가 가능합니다. 그러나 중{4}}~대형-구경(400mm 이상) 초-초정밀 연삭 기계 영역에서는 현재 중국에서 상업적으로 실행 가능한 국내 장비가 없습니다. 이는 천체 망원경, 레이저 융합 시설 및 EUV 리소그래피 기계에 사용되는 대구경 거울의 경우 아직 연삭 단계를 통과할 수 없음을 의미합니다. 국제적 수준은-어떤-최신-인가요? 영국의 Cranfield OGM2500은 최대 가공 직경이 2.5m입니다. 유럽 초거대 망원경용 1.45-미터 거울 가공에 사용되는 영국의 BOX 공작 기계는 20시간 미만의 단일 부품 생산 주기로 표면 형태 정확도 PV < 1 μm를 달성합니다. 독일의 OptoTech UPG500은 상업적 성숙도가 가장 높습니다.
02 자재 – 여전히 수입에 의존
CMP(Chemical Mechanical Polishing/Planarization)를 예로 들면 고급 프로세스 노드와 고급 패키징의 발전으로 CMP는 점차 전통적인 보조 역할에서 벗어나 리소그래피, 에칭, 박막 증착과 함께 집적 회로 제조의 네 번째 핵심 프로세스가 되었습니다.{0}} 고급 노드 및 3차원 아키텍처로 지속적으로 확장하는 과정에서 CMP는 웨이퍼 전체 평탄도 및 공정 수율에 영향을 미치는 중요한 단계가 되었습니다.
CMP의 핵심소재로는 슬러리(Slurry)와 연마패드(Polying Pad)가 있습니다. 그 중 슬러리는 CMP 공정 품질과 제거율을 결정하는 핵심 매체이며, 연마 패드는 CMP 공정 중 물리적 매체이자 응력 전달 요소로서 중요한 역할을 합니다. 슬러리의 종류는 연마재 가치의 50% 이상을 차지하는 다양한 종류가 있으며, 웨이퍼 생산량 및 CMP 평탄화 단계 수에 따라 그 사용량도 증가합니다.
CMP 연마재는 기술적 장벽이 매우 높습니다. 이 분야에서 중국의 뒤늦은 시작으로 인해 핵심 특허는 오랫동안 해외 거대 기업에 의해 독점되어 왔습니다. 슬러리 제제는 복잡하고, R&D 및 검증 주기가 길고, 생산 공정 및 공정 제어 요구 사항이 엄격합니다. 더욱이, 고순도-연마 입자는 오랫동안 수입에 의존해 왔으며 업스트림 핵심 공급망은 여전히 외국 기업에 의해 통제되고 있습니다.
연마 입자는 슬러리의 핵심 원료입니다. 주류 제품에는 세리아, 실리카, 알루미나 입자가 포함됩니다. 한 연구원은 성숙한 28nm 칩 공정의 경우 이론적으로 국내 시장에서 국내 대체가 가능하지만 고급 노드의 경우 연마재 공급이 여전히 문제에 직면해 있으며 이는 슬러리의 금속 불순물 제어에 직접적인 영향을 미칩니다.
여기서도 우리는 봉쇄되었습니다.
03 공정기술 – 아직 시험단계
(1) 자기유변마감(MRF)
자기유변 마무리는 1980년대 해외에서 개발된 첨단 광학 제조 기술로, 미국 QED(미국)가 1997년부터 상용화를 시작했다. 이 기술은 자기장 내 자기유변유체의 유변학적 특성을 이용해 공작물을 연마하는 기술이다. 유체가 연마 영역에 들어가면 자기장 아래에서 점소성 매체로 변환되어 "유연한 연마 패드"를 형성합니다. 광학 표면과 접촉하면 상당한 전단 응력이 발생하여 연마 및 형상화를 위한 안정적인 재료 제거가 가능합니다. 이는 높은 가공 정확도, 빠른 수렴, 우수한 표면 품질, 낮은 표면 손상, 제어 가능한 중간- 및 높은-공간-주파수 오류와 같은 요구 사항을 효과적으로 해결합니다. 구면렌즈, 비구면렌즈, 프리즘, 자유곡면 등에 폭넓게 적용 가능합니다.
(2) 이온빔 형상화(IBF)
대구경-구면 비구면 광학 처리의 추세는 더 높은 편차, 더 가파른 경사, 더 높은 정밀도를 향한 것입니다. 이를 충족시키기 위해 미국 Eastman Kodak은 이온빔 형상을 제안했습니다. 진공 챔버에서 수행되는 이 기술은 정의된 에너지와 공간 분포를 갖는 이온 빔을 사용하여 거울 표면에 충격을 가합니다. 재료 제거는 비{4}}비접촉식 에너지 증착을 통해 이루어지며, 이는 대형 비구면의 고정밀 측정을 위한 새로운 기술 옵션을 제공합니다.- 높은 수치 정확도와 표면 아래 손상이 없기 때문에 MRF와 함께 지난 30년 동안 개발된 가장 혁신적인 두 가지 광학 처리 기술 중 하나로 널리 인정받고 있습니다.
(3) 화학기계연마/평탄화(CMP)
CMP는 현재 전역 및 국부 표면 평탄도를 모두 달성할 수 있는 유일한 평탄화 기술입니다. 이는 1965년 미국 Monsanto에서 처음 제안되었지만 처음에는 군용 망원경과 같은 고품질 유리 표면을 얻는 데에만 적용되었습니다. 나중에 화학적 부식과 기계적 마모를 고유하게 결합하여 공정 변동을 줄이고 나노 크기의 평탄화된 표면을 생성하기 때문에 IBM, Intel 및 Applied Materials와 같은 회사는 점차적으로 반도체 제조에 이를 채택했습니다.
초정밀 연마 분야에서는 외국, 특히 일본, 독일, 미국이 상당한 이점을 갖고 있습니다. 장비 및 공정 수준 측면에서 이들 국가는 이미 나노미터{2}} 수준의 연마 정밀도를 달성한 반면, 중국은 여전히 국제 선진 수준에 어느 정도 뒤떨어져 있습니다.