Forschungsfortschritte bei Poliertechnologien für keramische Substrate

In den letzten Jahren hat sich in Bereichen wie Elektrofahrzeugen, Elektrolokomotiven, Halbleiterbeleuchtung, Luft- und Raumfahrt sowie Satellitenkommunikation eine rasante Entwicklung vollzogen. Die elektronischen Bauteile dieser Anwendungen arbeiten mit hohen Strömen, hohen Temperaturen und hohen Frequenzen. Um die Stabilität dieser Bauteile und Schaltungen zu gewährleisten, werden höhere Anforderungen an Chipträger gestellt. Keramische Substrate, die sich durch hervorragende thermische Eigenschaften, Mikrowellenleistung, mechanische Eigenschaften und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen, finden in diesen Bereichen breite Anwendung.

Im Allgemeinen werden nichtmetallische und anorganische Feststoffe als Keramiken bezeichnet. Sie sind Verbindungen aus metallischen und nichtmetallischen Elementen, die primär durch Ionenbindungen, kovalente Bindungen oder eine Kombination aus beidem gebunden sind. Sie können kristallin, akristallin oder polykristallin sein. Keramische Werkstoffe zeichnen sich daher durch geringe Duktilität und Zähigkeit aus, weisen aber aufgrund ihrer starken atomaren Bindungen und der geringen Anzahl freier Elektronen auch hohe Schmelzpunkte, ausgezeichnete Isolationseigenschaften und eine stabile chemische Beständigkeit auf. Keramische Substrate, die aus diesen Materialien hergestellt werden, weisen Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, ausgezeichnete Isolation und chemische Stabilität auf. Darüber hinaus sind keramische Substrate hochgradig hermetisch und blockieren effektiv Feuchtigkeit, Sauerstoff und Staub. Dadurch schaffen sie eine stabile Betriebsumgebung für elektronische Bauteile und Schaltungen und gewährleisten deren Lebensdauer. Einige keramische Substrate sind zudem strahlungsbeständig und bieten daher breite Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt sowie der Nuklearindustrie. Zu den derzeit für Substrate verwendeten keramischen Werkstoffen gehören hauptsächlich Berylliumoxid (BeO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Siliciumcarbid (SiC).

Gängige Poliertechnologien für keramische Substrate [5]

Keramische Substrate zeichnen sich durch hohe Härte, ausgeprägte Sprödigkeit, Rissneigung und anspruchsvolle Oberflächenbearbeitung aus. Daher werden strenge Anforderungen an die Oberflächenbearbeitung keramischer Substrate gestellt. Typischerweise werden Schleifen und Polieren eingesetzt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, die Ebenheit zu verbessern, die Oberflächenrauheit zu reduzieren und die Maßgenauigkeit sowie die Oberflächenqualität zu erhöhen, um die Anforderungen dünner Profile zu erfüllen. Angesichts der unterschiedlichen Eigenschaften und Strukturen verschiedener Keramikwerkstoffe ist die Wahl der geeigneten Poliertechnologie entscheidend für optimale Ergebnisse.

Um die Ebenheit zu verbessern und Keramiksubstrate mit hoher Oberflächenpräzision und geringer Oberflächenrauheit zu erhalten, wird im ersten Schritt durch Schleifen Oberflächenfehler, die veränderte Oberflächenschicht und Kratzer entfernt. Anschließend werden Polierverfahren eingesetzt, um die beim Schleifen entstandenen Oberflächen- und Unterflächenschäden weiter zu beseitigen. Das Ergebnis ist eine noch ebenere Oberfläche mit noch geringerer Rauheit. Gängige Poliertechnologien für Keramiksubstrate sind das chemisch-mechanische Polieren (CMP), das abrasive Fließpolieren, das ultraschallunterstützte abrasive Fließpolieren, das elektrophoretische Polieren, das elektrolytische Polieren und das magnetorheologische Polieren.

2.1 Chemisch-mechanisches Polieren (CMP)

Das chemisch-mechanische Polieren (CMP) gilt als die derzeit einzige Technologie, die eine vollständige Planarisierung von Waferoberflächen in der IC-Fertigung ermöglicht. Die Effektivität des CMP-Verfahrens beeinflusst direkt die Endqualität und die Ausbeute der Chips.

CMP nutzt die synergistische Kopplung von chemischer Korrosion durch chemische Reagenzien in der Poliersuspension und mechanischem Abrieb, um Oberflächenfehler auf atomarer Ebene zu entfernen und eine globale Planarisierung zu erreichen. Beispielsweise findet beim Polieren von Al₂O₃-Substraten mit einer Silicasol-basierten Suspension eine chemische Reaktion gemäß Gleichung (1) statt, deren Produkte während des mechanischen Polierprozesses entfernt werden. Dies bedeutet, dass sich das CMP-Verfahren besser für keramische Werkstoffe eignet, bei denen Grenzflächenreaktionen auftreten und weichere Nebenprodukte entstehen können.

2.1.1 Poliersuspension

Die Poliersuspension für das chemisch-mechanische Polieren (CMP) ist ein entscheidender Faktor für die Qualität und Effizienz des Polierprozesses. Zu den Bestandteilen der CMP-Suspension gehören in der Regel Schleifpartikel, Oxidationsmittel und weitere Additive. Typische Additive sind Komplexbildner, Chelatbildner, Korrosionsinhibitoren, Tenside und pH-Regulatoren. Die spezifische Zusammensetzung wird anhand der physikalischen und chemischen Eigenschaften des zu polierenden Materials und der gewünschten Polierleistung ausgewählt.

Beim Polieren wirken Schleifpartikel durch Mechanismen wie Mikroschneiden, Mikrokratzen und Rollen auf die Materialoberfläche ein und bewirken so einen mechanischen Materialabtrag. Die Größe der Schleifpartikel beeinflusst direkt die Poliereffizienz und die Oberflächenqualität. Zu große Partikel erhöhen das Risiko von Kratzern und anderen Oberflächenbeschädigungen, während zu kleine Partikel zwar potenziell eine bessere Oberflächenglätte erzielen, aber die Abtragsrate (MRR) deutlich verringern. Die Härte des Schleifmittels muss zudem dem zu polierenden Material entsprechen. Zu harte Schleifmittel können Oberflächenkratzer oder mehr Defekte verursachen, während zu weiche Schleifmittel zu geringen Abtragsraten führen.

pH-Regulatoren optimieren die chemischen Reaktionsbedingungen, indem sie den Säure- oder Basengehalt der Poliersuspension anpassen und so einen reibungslosen Reaktionsablauf gewährleisten. Oxidationsmittel reagieren mit der Werkstückoberfläche und bilden eine weiche Schicht, die sich leicht mechanisch entfernen lässt und einen effizienten und gleichmäßigen Materialabtrag ermöglicht. Inhibitoren dienen der Kontrolle des Ausmaßes der chemischen Erosion und machen den gesamten Polierprozess kontrollierbarer und stabiler [1]. Durch die Auswahl geeigneter Tenside lassen sich zudem gleichzeitig Effekte wie die Dispersion des Abrasivmaterials, die Benetzung der Oberfläche, die Reinigung und der Korrosionsschutz erzielen, was ein erhebliches Anwendungspotenzial aufzeigt.

2.1.2 Polierpad

Das Polierpad spielt eine entscheidende Rolle für die CMP-Leistungsparameter wie Abtragsrate und Oberflächenqualität. Durch Reibungskräfte und den vom Wafer ausgeübten Normaldruck unterliegt das Polierpad Oberflächenverschleiß und Volumenkompression, was zu einer Verschlechterung der Oberflächenmikrostruktur, Abscherung von Rauheitsspitzen und Verstopfung von Poren führt. Der Oberflächenverschleiß des Polierpads beeinträchtigt dessen CMP-Leistung.

2.2 Plasmaunterstütztes Polieren (PAP)

Plasmaunterstütztes Polieren (PAP) ist ein Verfahren, bei dem Oberflächenmaterial mithilfe von Plasma in eine weichere Oxidschicht oxidiert wird. Gleichzeitig wird Material durch abrasive Reibung abgetragen, wodurch das chemisch-mechanische Polieren unterstützt wird. Das Grundprinzip besteht darin, mithilfe eines Hochfrequenzgenerators (HF-Generator) aus reaktiven Gasen (wie Wasserdampf, O₂ usw.) Plasma zu erzeugen, wodurch Radikale (wie OH-Radikale, O-Radikale) entstehen. Diese hochoxidierenden Radikale oxidieren und modifizieren die Materialoberfläche und bilden eine weiche Oxidschicht. Diese wird anschließend mit weichen Schleifmitteln (z. B. CeO₂, Al₂O₃) abgetragen, wodurch eine atomar glatte Oberfläche entsteht.

2.3 Elektrophoretisches Polieren

Die elektrophoretische Politur zählt zu den vielversprechendsten berührungslosen Polierverfahren. Diese Technologie nutzt die unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten geladener Partikel in einem elektrischen Feld zur Trennung. Im Gegensatz zur mechanischen Bearbeitung verursacht dieses Verfahren praktisch keine Beschädigungen an der bearbeiteten Oberfläche und eignet sich daher besonders für die Ultrapräzisionsbearbeitung. FunktionskeramikDie

Abbildung 3: Schematische Darstellung des elektrophoretischen Polierens

2.4 Elektrolytisches Polieren

Die elektrolytische Poliertechnik ist ein Oberflächenbearbeitungsverfahren, das durch selektive elektrochemische Reaktionen auf der Werkstückoberfläche eine Glättung erzielt. Sie kombiniert elektrischen Strom mit chemischen Reaktionen. In einem Elektrolyten fungiert das metallische Werkstück als Anode, ein unlösliches Metall als Kathode. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden werden die Mikrostrukturen auf der Anode selektiv aufgelöst, wodurch die Oberflächenrauheit reduziert und eine glatte Oberfläche erzeugt wird.

Das elektrolytische Polierverfahren bietet Vorteile wie einfache und kostengünstige Ausrüstung, unkomplizierte und schnelle Bedienung, hohe Produktionseffizienz, die Möglichkeit, vertiefte Bereiche zu bearbeiten, die für das mechanische Polieren unzugänglich sind, und eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks.

2.5 Ultraschall-vibrationsunterstütztes abrasives Fließpolieren

Ähnlich wie elektrische Entladungen, Plasma und Laser kann Ultraschall innerhalb kürzester Zeit erhebliche Energie freisetzen und wird daher häufig zur Bearbeitung harter und spröder Werkstoffe eingesetzt. Das ultraschallunterstützte Abrasivflusspolieren kombiniert Ultraschalltechnologie mit dem herkömmlichen Abrasivflusspolieren. Dabei wird der Abrasivstrom mittels eines Ultraschallsystems mit Ultraschall beaufschlagt. Die kinetische Energie beider Komponenten wird zum Polieren genutzt, wodurch ein neuartiges, kombiniertes Polierverfahren entsteht. Die Ultraschallzufuhr fördert die Bildung und das Zusammenfallen von Mikrobläschen. Deren Zusammenfallen nahe der Werkstückoberfläche unterstützt den Materialabtrag und führt zu einer präziseren Polieroberfläche. Diese Eigenschaft macht das Polierverfahren besonders geeignet für die Oberflächenbearbeitung von optischen Präzisionsbauteilen.

2.6 Magnetorheologisches Polieren (MRP)

Die magnetorheologische Poliertechnologie nutzt eine magnetorheologische Flüssigkeit, die in einem Gradientenmagnetfeld rheologische Veränderungen erfährt und so ein flexibles „Subapertur-Polierwerkzeug“ mit viskoplastischem Verhalten bildet. Zwischen diesem flexiblen Werkzeug und dem Werkstück wird eine hohe Relativgeschwindigkeit aufrechterhalten, wodurch die Werkstückoberfläche einer signifikanten Scherspannung ausgesetzt und somit Oberflächenmaterial abgetragen wird.

Abschluss

Da sich Leistungselektronik, Mikrowellengeräte, fotoelektrische Geräte usw. immer weiter in Richtung Miniaturisierung, Integration und Multifunktionalität entwickeln, werden höhere Anforderungen an keramische Substrate gestellt, um eine optimale Signalübertragung und Wärmeableitung zu gewährleisten.

Als Substratmaterial für integrierte Schaltungen und kupferkaschierte Laminate beeinflusst die Oberflächenqualität keramischer Substrate unmittelbar die Lebensdauer und Betriebssicherheit der Endprodukte. Um den Entwicklungsanforderungen hinsichtlich Geräteintegration, Miniaturisierung und hoher Zuverlässigkeit gerecht zu werden, werden die Anforderungen an die Oberflächenqualität keramischer Substrate zukünftig immer strenger. Die Oberflächenbehandlungstechnologien für keramische Substrate stehen daher vor immer größeren Herausforderungen.