陶瓷基材拋光技術的研究進展

近年來，電動車、電力機車、半導體照明、航太和衛星通訊等領域發展迅速。這些應用中的電子元件需要在高電流、高溫和高頻條件下運作。為了確保這些元件和電路的穩定性，對晶片載體提出了更高的要求。陶瓷基板具有優異的熱性能、微波性能、機械性能和高可靠性，因此在這些領域中得到了廣泛應用。

廣義而言，非金屬和無機固體材料可統稱為陶瓷。它們是由金屬和非金屬元素組成的化合物，主要透過離子鍵、共價鍵或二者結合的方式結合。陶瓷可以是晶體、非晶體或多晶體。因此，陶瓷材料的特徵是延展性和韌性較低，但由於其原子間強大的鍵結和有限的自由電子，也具有熔點高、絕緣性好、化學性質穩定等優點。由這些材料製成的陶瓷基板繼承了耐高溫、絕緣性和化學穩定性等特性。此外，陶瓷基板具有高氣密性，能有效阻隔水分、氧氣和灰塵，進而為電子元件和電路提供穩定的工作環境，延長其使用壽命。一些陶瓷基板還具有抗輻射性能，在航空航天和核工業領域展現出廣闊的應用前景。目前用作基板的陶瓷材料主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al₂O₃）、氮化鋁（AlN）、氮化矽（Si₃N₄）和 碳化矽 （碳化矽）。

常用陶瓷基體拋光技術[5]

陶瓷基材具有硬度高、脆性大、易產生裂紋以及表面加工難度高等特性。因此，對陶瓷基材的表面加工提出了嚴格的要求。通常採用研磨和拋光製程來去除表面污染物、提高平整度、降低表面粗糙度，並增強尺寸精度和表面質量，以滿足薄型材的要求。鑑於不同陶瓷材料的性能和結構各異，選擇合適的拋光技術對於獲得最佳加工效果至關重要。

為了提高陶瓷基體的平整度，獲得表面精度高、表面粗糙度低的陶瓷基體，首先需要進行研磨，以去除基體表面的缺陷、變質層和刮痕。隨後，採用拋光技術進一步消除研磨過程中造成的表面或亞表面損傷，從而獲得更平整、粗糙度更低的表面。陶瓷基材常用的拋光技術包括化學機械拋光（CMP）、磨料流拋光、超音波振動輔助磨料流拋光、電泳拋光、電解拋光和磁流變拋光。

2.1 化學機械拋光（CMP）

化學機械拋光 (CMP) 是目前唯一能夠在積體電路 (IC) 製造中實現晶圓表面全局平坦化的技術。 CMP 的效能直接影響晶片的最終品質和良率。

化學機械拋光（CMP）利用拋光漿料中化學試劑的化學腐蝕作用與機械磨損的協同作用，在原子尺度上去除表面缺陷，實現整體平坦化。例如，當使用二氧化矽溶膠基拋光漿料拋光Al₂O₃基底時，會發生如式（1）所示的化學反應，生成的產物在機械拋光過程中被去除。這意味著CMP製程更適用於陶瓷材料，因為陶瓷材料會發生界面反應，產生較軟的副產物。

2.1.1 拋光漿料

化學機械拋光漿料是影響拋光品質和效率的關鍵因素。 CMP漿料通常包含磨料顆粒、氧化劑和其他添加劑。添加劑通常包括絡合劑、螯合劑、緩蝕劑、界面活性劑和pH調節劑。特定的配方選擇取決於被拋光材料的物理化學性質以及所需的拋光性能。

在拋光過程中，磨料顆粒透過微切削、微刮痕和滾動等機製作用於材料表面，從而實現機械材料去除。磨料顆粒的尺寸直接影響拋光效率和表面品質。過大的顆粒會增加刮痕和其他表面損傷的風險，而過小的顆粒雖然可能提供更好的表面光滑度，但會顯著降低材料去除率（MRR）。磨料的硬度也必須與被拋光材料相符。過硬的磨料會導致表面刮傷或其他缺陷，而過軟的磨料則會導致材料去除率過低。

pH調節劑透過調節拋光漿料的酸鹼度來優化化學反應條件，確保反應能如預期進行。氧化劑與工件表面反應形成軟化層，該軟化層易於機械去除，從而實現高效均勻的材料去除。抑制劑用於控制化學腐蝕的程度，使整個拋光過程更易於控制和穩定[1]。此外，選擇合適的界面活性劑可以同時實現磨料分散、表面潤濕、清潔和腐蝕抑制等效果，顯示其具有巨大的應用潛力。

2.1.2 拋光墊

拋光墊在決定化學機械拋光（CMP）性能參數（例如材料去除率和表面品質）方面起著至關重要的作用。由於摩擦力和晶圓施加的正向壓力，拋光墊會發生表面磨損和整體壓縮，導致表面微觀結構退化、粗糙峰剪切和孔隙堵塞。拋光墊的表面磨損會導致其CMP性能下降。

2.2 等離子輔助拋光（PAP）

等離子輔助拋光 (PAP) 是一種利用等離子體將表面材料氧化成較軟氧化層的工藝，同時仍依靠磨料摩擦去除材料，從而輔助化學機械拋光。其基本原理是利用射頻 (RF) 產生器，將反應性氣體（例如水蒸氣、氧氣等）轉化為等離子體，生成自由基（例如羥基自由基、氧自由基）。這些高氧化性自由基氧化並改質材料表面，形成一層較軟的氧化層，然後使用軟磨料（例如二氧化鈰、氧化鋁）將其拋光去除，最終獲得原子級光滑的表面。

2.3 電泳拋光

電泳拋光是一種極具發展前景的非接觸式拋光方法。此技術利用帶電粒子在電場中遷移速度的差異來實現分離。與傳統的機械加工方法相比，此方法幾乎不會對加工表面造成損傷，因此非常適合超精密加工。 功能陶瓷。

圖3：電泳拋光示意圖

2.4 電解拋光

電解拋光是一種表面處理技術，它透過工件表面的選擇性電化學反應來實現表面平整化。該技術結合了電流和化學反應。在電解液中，金屬工件作為陽極，不溶性金屬作為陰極。在兩個電極之間施加電壓，可選擇性地溶解陽極上的微凸起，從而降低表面粗糙度，以獲得光滑的表面。

電解拋光法具有設備簡單、價格低廉、操作簡單快速、生產效率高、能夠修復機械拋光無法觸及的凹陷區域以及提高工件耐腐蝕性等優點。

2.5 超音波振動輔助磨料流拋光

與放電、等離子體和雷射類似，超音波振動可在極短時間內釋放大量能量，廣泛用於加工硬脆材料。超音波振動輔助磨料流拋光技術將超音波振動技術與磨料流拋光相結合。它透過超音波振動系統將超音波振動施加到磨料流上，利用二者的動能進行拋光，形成一種新型的複合拋光方法。超音波的引入促進了微氣泡的形成和破裂，這些微氣泡在工件表面附近的破裂有助於材料去除，從而獲得更精確的拋光錶面。這項特性使得此拋光技術特別適用於精密光學元件的表面拋光。

2.6 磁流變拋光（MRP）

磁流變拋光技術利用磁流變液，該流體在梯度磁場中發生流變變化，形成具有黏塑性行為的柔性「子孔徑拋光工具」。此柔性工具與工件之間保持較高的相對速度，使工件表面承受較大的剪切應力，從而去除表面材料。

結論

隨著功率元件、微波元件、光電元件等不斷向小型化、整合和多功能化發展，對陶瓷基板提出了更高的要求，以保持最佳的訊號傳輸和散熱性能。

作為積體電路和覆銅層壓板的基板材料，陶瓷基板的表面品質直接影響最終元件的使用壽命和運作可靠性。為了滿足裝置整合、小型化和高可靠性的發展需求，未來對陶瓷基板表面品質的要求將日益嚴格。因此，應用於陶瓷基板的表面處理技術也將面臨更嚴峻的挑戰。