Polierschablonen für Glaswafer und keramische Substrate: Wichtige Überlegungen

Borosilikatglas ist aus Sicht des Schablonendesigns das nachsichtigste der Glas-/Keramiksubstrate. Seine Härte ist mit der von Silizium vergleichbar, seine Bruchfestigkeit ähnelt der von Silizium-Prime-Wafern, und sein primärer Polierschlamm - alkalisches kolloidales Siliziumdioxid mit einem pH-Wert von 9 bis 12 - ist mit FR-4-Trägerplatten bei moderaten Zykluszahlen kompatibel und bei längerem Produktionseinsatz voll kompatibel mit G-10 und CXT.

Die primäre Herausforderung bei der Entwicklung von Vorlagen für Borosilikatglas ist nicht die Chemie oder das Bruchrisiko, sondern Dickenvielfalt. Borosilikatglas-Wafer für MEMS-Anwendungen haben eine Dicke von 300 µm (für gedünnte Substrate) bis 1.100 µm (für Anwendungen mit starren Trägern), verglichen mit dem für Halbleiter-Wafer typischen Bereich von 625-775 µm. Für jede Dicke ist eine individuelle Berechnung der Arbeitslochtiefe erforderlich. Darüber hinaus haben TGV-Substrate (Through-Glass-Via) oft eine Ziel-Post-Polish-Dicke, die mit einer Toleranz von ±5 µm für die Via-Tiefenkontrolle spezifiziert ist - eine Ebenheitsanforderung, die die gleiche Präzision der Arbeitslochtiefe erfordert wie bei modernen Halbleiteranwendungen.

Quarzglas stellt andere Anforderungen an die Vorlage als Borosilikatglas. Sein extrem niedriger WAK (0,55 × 10-⁶/°C, verglichen mit 3,3 × 10-⁶/°C für Borosilikat) macht es äußerst dimensionsstabil - genau deshalb wird es für Fotomaskenrohlinge und EUV-Lithografiekomponenten verwendet, bei denen die Ebenheit im Sub-nm-Bereich über Temperaturwechsel hinweg erhalten bleiben muss. Dieser niedrige WAK bedeutet auch, dass Quarzglassubstrate extrem empfindlich auf thermisch induzierte Spannungen während des Polierens reagieren: Jeder Temperaturgradient über das Substrat während des Polierens erzeugt eine unterschiedliche Ausdehnungsspannung, die lokal die Bruchzähigkeit übersteigen kann und zu Rissen unter der Oberfläche führt, die bei einer visuellen Inspektion nicht sichtbar sind, aber bei interferometrischen Ebenheitsmessungen nach dem Polieren festgestellt werden können.

Beim Polieren von Quarzglas - insbesondere für Fotomasken-Rohlinge - wird Ceroxid (CeO₂)-Aufschlämmung oder gemischte CeO₂/SiO₂-Aufschlämmung bei leicht saurem bis nahezu neutralem pH-Wert (4-7) verwendet. Dieser pH-Bereich ist für FR-4-Trägerplatten bei längerem Produktionseinsatz marginal und erfordert mindestens G-10. Die Zielvorgaben für die Oberflächenrauheit beim Polieren von Fotomaskenrohlingen (Ra < 0,1 nm, vergleichbar mit der Spezifikation für Silizium-Prime-Wafer) stellen dieselben hohen Anforderungen an die Ebenheit der Schablone wie bei der CMP für fortgeschrittene Halbleiter. Um diese Oberflächenspezifikationen zu erfüllen, sind eine Präzision der Arbeitslochtiefe von ±3 µm und ein Trägerplattenbogen von ≤5 µm erforderlich.

Aluminiumoxid-Keramiksubstrate gehören zu den härtesten Materialien, die auf dem Markt für elektronische Substrate routinemäßig poliert werden, mit einer Mohshärte von 9,0 - das entspricht der Härte von Saphir und wird nur von SiC und Diamant übertroffen. Diese Härte hat unmittelbare Auswirkungen auf die Spezifikation der Schablone: Die Härte des Stütztellers muss hoch genug sein, um die Gleichmäßigkeit des Drucks unter den hohen Prozessdrücken (3-6 psi) aufrechtzuerhalten, die erforderlich sind, um akzeptable Abtragsraten mit dem Diamantschleifmittel zu erzielen, und das Material der Trägerplatte muss der säurehaltigen Chemie des Diamantschleifmittels widerstehen, die FR-4 nicht verträgt.

Aluminiumoxidkeramiken weisen nach dem Sintern relativ große Dickenschwankungen auf - ±50-150 µm sind typisch für Standardsubstrate - im Vergleich zu ±5-10 µm bei Halbleiter-Hauptwafern. Diese Schwankungen müssen gemessen und bei der Spezifikation der Arbeitslochtiefe berücksichtigt werden. Viele Aluminiumoxid-Polieranwendungen erfordern nach dem Polieren eine Ziel-TTV von ≤10-20 µm, die nur erreicht werden kann, wenn die Arbeitslochtiefe der Schablone korrekt an die tatsächliche Dickenverteilung des Substrats angepasst ist. Die Verwendung einer nominalen Arbeitslochtiefe ohne chargenspezifische Dickenanpassung führt zu systematischen TTV-Mustern, die mit den Dickenschwankungen innerhalb der Charge korrelieren.

Aluminiumoxid-Substrate haben häufig auch nicht-kreisförmige Geometrien - Quadrate, Rechtecke und benutzerdefinierte Formen - die anstelle von kreisförmigen Taschen benutzerdefinierte Arbeitslochformen erfordern. Dies wird in Abschnitt 9 ausführlich behandelt.

Aluminiumnitrid wird aufgrund seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt - mit 170-230 W/m-K ist es das am besten geeignete elektronische Substrat - und ist daher für Hochleistungs-LED-Gehäuse und HF-Leistungsverstärker unverzichtbar, bei denen die Wärmeableitung die wichtigste Designbedingung ist. Seine Polieranforderungen sind aufgrund einer kritischen chemischen Eigenschaft anders als bei jedem anderen Substrat in diesem Leitfaden: AlN reagiert mit Wasser durch Hydrolyse - AlN + 3H₂O → Al(OH)₃ + NH₃ - Ammoniakgas erzeugt und die Substratoberfläche in jeder wässrigen Polierumgebung verzehrt. Diese Hydrolysereaktion ist kein langsamer Korrosionsprozess; sie ist schnell genug, um innerhalb von Minuten in wässriger Standardaufschlämmung bei Raumtemperatur messbare Oberflächenschäden zu verursachen.

Das Polieren von AlN erfordert daher entweder nicht-wässrige Poliermittel (Diamantsuspensionen auf Basis organischer Lösungsmittel) oder passivierte wässrige Aufschlämmung mit pH-Einstellung und einer Inhibitorchemie, die die Wasseraktivität an der Substratoberfläche minimiert. Diese chemische Anforderung diktiert das Material der Trägerplatte: Standard-Inhibitorsysteme mit wässriger Aufschlämmung verwenden oft organische Säurepassivierungsmittel mit einem pH-Wert von 4-6, die mit FR-4 nicht kompatibel sind. Nichtwässrige Poliermittel können mit G-10 kompatibel sein, müssen aber überprüft werden; CXT-grade ist die sichere Wahl für das Produktionspolieren von AlN, unabhängig von der spezifischen Slurry-Chemie.

Das Design von Schablonen für AlN profitiert auch davon, dass die Zeit, die das Substrat nach dem Polieren benetzt ist, minimiert wird. AlN-Polierschablonen sollten mit einer glatten, nicht porösen Trägerplattenoberfläche spezifiziert werden (CXT erfüllt dies; G-10 hat eine etwas höhere Oberflächenporosität durch freiliegende Fasern), um Schlammrückstände auf der Schablonenoberfläche zu minimieren, die die AlN-Hydrolyseexposition nach dem Ende des Polierzyklus verlängern würden.

LTCC-Substrate sind gemeinsam gebrannte Glaskeramik-Verbundwerkstoffe mit eingebetteten Metallleitern (in der Regel Silber oder Gold), die in Plattenform hergestellt und anschließend vereinzelt werden. Ihre Polieranforderungen unterscheiden sich von denen der anderen Keramiken in diesem Leitfaden, da LTCC sowohl eine Glaskeramikmatrix und Metallleiter, und beim Polieren muss die Planarität der Oberfläche erreicht werden, ohne dass vorzugsweise entweder die Keramik oder das Metall entfernt wird - ein Problem des selektiven Polierens, das dem der CMP-Damaszenen-Metallplanarisierung ähnelt.

LTCC-Platten weisen nach dem Brand eine Oberflächentopografie auf, die durch die unterschiedliche Sinterschrumpfung der Glaskeramikmatrix und der eingebetteten Metallschichten entsteht. Ziel des Polierens ist es, diese Topografie auf ±5-10 µm über die gesamte Platte hinweg zu planieren, um ein zuverlässiges Die-Bonding und Interconnect-Verfahren zu ermöglichen. Da LTCC weicher ist als reines Aluminiumoxid (Mohs ~5-6 gegenüber 9 für Aluminiumoxid), sind niedrigere Prozessdrücke (1,5-3 psi) und weichere Stützteller (Shore A 50-65) angebracht - härtere Stellteller bei höherem Druck führen zu einer bevorzugten Abtragung der weicheren Glaskeramikmatrix im Vergleich zu den Metallleitern, was das Planaritätsproblem eher verschlimmert als löst.

Die Formate der LTCC-Platten (114 × 114 mm oder kundenspezifische Formate) sind nicht kreisförmig und nicht standardisiert, so dass eine kundenspezifische rechteckige Arbeitslochgeometrie in der Polierschablone erforderlich ist. Die Tiefe des Arbeitslochs muss auf der Grundlage der Dicke der Platte nach dem Brand festgelegt werden, die ihrerseits von der Anzahl der mitgebrannten Schichten und den Bedingungen der Brennreihe abhängt. Es wird empfohlen, die Dicke nach dem Brand an mindestens 5 Musterplatten pro Produktionslos zu messen, um die Arbeitslochtiefe festzulegen.