隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)的進(jìn)步，在軌道交通、電子電力和航空航天等領(lǐng)域?qū)τ诠β势骷男枨笈c日俱增。與金屬、金屬基復(fù)合材料以及樹脂基片相比，陶瓷基板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、電絕緣性、氣密性、力學(xué)性能和介電性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于集成電路、大功率半導(dǎo)體器件、通訊電子領(lǐng)域、LED產(chǎn)業(yè)、鋰電池、芯片、航天航空和國(guó)防軍工等高科技領(lǐng)域。隨著裝備型號(hào)的發(fā)展，對(duì)陶瓷基板的表面粗糙度、平整度等提出了更為嚴(yán)苛的要求。

目前，已投入生產(chǎn)的陶瓷基板主要有氧化鋁(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)、氧化鈹(BeO)和氮化鋁(AlN)等。陶瓷基板的硬度高、脆性大、容易產(chǎn)生裂紋、表面加工難度大。因此，對(duì)于陶瓷基板表面的加工要求更加嚴(yán)格，一般采用研磨拋光以去除基板表面的附著物、改善平整度、降低表面粗糙度，提高尺寸精度和表面質(zhì)量，滿足薄型化的要求。不同陶瓷材質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)存在差異，選擇合適的拋光技術(shù)才能起到事半功倍的處理效果。

Al₂O₃陶瓷基板具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、耐腐蝕、光透過(guò)率高、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性能高，絕緣性和與金屬附著性良好，是目前電子技術(shù)領(lǐng)域中綜合性能較好、應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料，占陶瓷基板總量的90%。

Al₂O₃陶瓷基板可以通過(guò)機(jī)械拋光先進(jìn)行粗拋，去除大的麻點(diǎn)和劃痕，再通過(guò)CMP精拋，表面達(dá)到納米級(jí)粗糙度水平，對(duì)比不同磨料在CMP拋光過(guò)程中與M面藍(lán)寶石的作用機(jī)理，可以發(fā)現(xiàn)葡萄糖酸鈉(Gluc)能夠與之反應(yīng)生成柔軟的Al(OH)^4?/Gluc^?，同時(shí)，Al₂O₃又能夠和SiO₂拋光液形成柔性的Al₂Si₂O₇·2H₂O，進(jìn)一步提升拋光效率。

           

▲機(jī)械拋光機(jī)理

Al₂O₃陶瓷基板也可以使用單面研磨拋光機(jī)和雙面研磨拋光機(jī)。有研究通過(guò)單面研磨拋光和雙面研磨拋光對(duì)Al₂O₃陶瓷基板進(jìn)行拋光，結(jié)果表明單面拋光的拋光效率與表面質(zhì)量均優(yōu)于雙面拋光，采用W0.5的SiC磨料可以獲得平均表面粗糙度Ra為10nm的光滑表面。對(duì)Al₂O₃陶瓷基板進(jìn)行精密機(jī)械拋光，當(dāng)SiC磨料的粒徑為2μm，軸向載荷質(zhì)量為9kg、磨盤轉(zhuǎn)速為90r·min^?1、拋光液濃度為35%、連續(xù)研磨時(shí)間為50min時(shí)，基板的表面粗糙度由原始的1.49μm下降至0.22μm，表面粗糙度改善率達(dá)到85%。

同時(shí)，皮秒拋光技術(shù)也非常適用于Al₂O₃陶瓷的拋光。傳統(tǒng)的激光拋光不是直接去除表面材料，而是需要對(duì)超快激光激發(fā)的納米顆粒進(jìn)行再結(jié)晶。激發(fā)的納米粒子熔化重結(jié)晶，在陶瓷表面形成一層致密的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表面粗糙度降低，不同于傳統(tǒng)的激光拋光技術(shù)，皮秒拋光不使用連續(xù)激光加熱材料表面使之蒸發(fā)，而是通過(guò)波長(zhǎng)短于光子—電子耦合的短波激光加熱電子并將其激發(fā)。這樣失去電子的陽(yáng)離子就會(huì)因?yàn)殪o電斥力松動(dòng)并被去除。另一方面，為了滿足對(duì)于復(fù)雜平面的拋光需求，超聲振動(dòng)輔助拋光技術(shù)也廣泛應(yīng)用在Al₂O₃陶瓷拋光中。

BeO陶瓷基板屬于高導(dǎo)熱陶瓷材料之一，因具有低密度、低介電常數(shù)高抗折強(qiáng)度、高絕緣性能、熱導(dǎo)率高(熱導(dǎo)系數(shù)可達(dá)310W·m^?1·k^?1)等特點(diǎn)，被廣泛用于軍事通訊、光電技術(shù)、遙感遙測(cè)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。但是BeO陶瓷粉體有劇毒，對(duì)身體健康和環(huán)境危害較大，因此限制了它的發(fā)展。目前，美國(guó)是全球主要的BeO陶瓷基板生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，福特和通用等汽車公司在點(diǎn)火裝置中大量使用BeO陶瓷基板。通過(guò)傳統(tǒng)的拋光技術(shù)只能獲得表面粗糙度約0.08μm的BeO陶瓷基板，主要原因就是BeO孔隙率高，致密性差，在拋光過(guò)程中，被拋光面容易被劃傷，難以滿足亞微米級(jí)及以下的薄膜電路的發(fā)展要求。

采用雙面研磨拋光機(jī)對(duì)BeO陶瓷基板進(jìn)行拋光，先采用W0.3粒徑的金剛石拋光液在鑄鐵盤上粗拋，后采用W0.1粒徑的金剛石拋光液在聚氨酯襯的底盤上精拋，表面粗糙度Ra可達(dá)到0.08μm，平面度在±0.03μm以內(nèi)，能夠滿足薄膜電路/器件對(duì)高導(dǎo)熱陶瓷拋光基板高可靠性、高精度的發(fā)展需求，整體性能水平到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。

SiC陶瓷基板具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和高溫耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性好、密度低、熱膨脹系數(shù)低，常用于高散熱、高導(dǎo)熱、大電流、大電壓以及需要高頻率運(yùn)作的產(chǎn)品，是一種在信息產(chǎn)業(yè)和電子器件中具有廣泛應(yīng)用前景的陶瓷材料，作為一種典型的脆硬材料，在加工過(guò)程中常出現(xiàn)較大的表面缺陷和嚴(yán)重的亞表面損傷。

▲CMP拋光工藝示意圖

采用CMP拋光方法，通過(guò)鋁金屬盤和SiC界面接觸并用1wt.%的Na₂SO₄鹽溶液作為拋光液，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕將4H-SiC界面軟化為SiO₂，這使材料移除率提高105%，表面粗糙度降低37.8%。

通過(guò)超精密磨削研究反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(RB-SiC)和無(wú)壓燒結(jié)碳化硅(S-SiC)的材料去除特性，分別采用目數(shù)為120#、600#、2000#和12000#金剛石杯形砂輪進(jìn)行粗磨、半成品磨、細(xì)磨和精磨。結(jié)果表明：當(dāng)使用#2000金剛石砂輪研磨RB-SiC和S-SiC陶瓷時(shí)，可以獲得約Ra為3nm的表面粗糙度和小于8nm的凹槽深度，滿足了大多數(shù)高性能應(yīng)用的要求。

Si₃N₄陶瓷基板無(wú)毒、介電常數(shù)低、機(jī)械性強(qiáng)、斷裂韌性高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊性能強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)與單晶硅相匹配，在汽車減震器、發(fā)動(dòng)機(jī)、車用IGBT等產(chǎn)品，以及交通軌道、航天航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

▲氮化硅陶瓷基板

研究不同SiO₂拋光液配制參數(shù)對(duì)精細(xì)霧化CMP拋光Si₃N₄陶瓷基板的拋光效果的影響。結(jié)果表明：當(dāng)加入5wt.%的SiO₂磨料、1wt.%的H₂O₂氧化劑、pH值調(diào)節(jié)為8時(shí)，通過(guò)精細(xì)霧化CMP拋光的Si₃N₄陶瓷基板的材料去除率為108.24nm·min^?1，表面粗糙度Ra為3.39nm，與傳統(tǒng)CMP拋光接近，但是節(jié)省了拋光液的用量，僅為傳統(tǒng)拋光液用量的1/9。

沃德發(fā)明了一種酸性含水性拋光液用于CMP技術(shù)拋光Si₃N₄陶瓷，拋光液主要由CeO₂、非聚合物型不飽和氮雜環(huán)化合物、聚氧化烯聚合物和水組成。與此類似，采用CeO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃以及水組成的CMP拋光液拋光Si₃N₄陶瓷，拋光速度快且時(shí)間短，提高了生產(chǎn)效率，降低制造成本，獲得光滑的拋光面，顯著提高Si₃N₄陶瓷的表面質(zhì)量。

AlN陶瓷基板作為一種高導(dǎo)熱陶瓷材料，熱導(dǎo)率可達(dá)150W·m^?1·K^?1～230W·m^?1·K^?1，是Al₂O₃陶瓷的8倍以上。并且AlN陶瓷基板與Si、SiC、GaAs等半導(dǎo)體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配，散熱性能優(yōu)良、耐腐蝕性能優(yōu)異、介電常數(shù)和介電損耗低、無(wú)毒，可以滿足大型集成電路的散熱需求，是一種適合組裝大型集成電路的高性能陶瓷基板，有望成為替代電子工業(yè)用陶瓷基板Al₂O₃、SiC和BeO的極佳材料。

AlN陶瓷基板主要應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)，因此對(duì)基板的厚度、面精度、表面粗糙度有很高的要求。由于AlN陶瓷硬度高、脆性大、易水解、加工難度大，傳統(tǒng)的機(jī)械拋光會(huì)使晶粒從AlN表面脫落，嚴(yán)重影響基板的強(qiáng)度和性能，難以實(shí)現(xiàn)AlN表面的超光滑拋光。

▲等離子輔助拋光加工示意圖

為解決AlN陶瓷基板拋光工藝的問(wèn)題，有研究發(fā)現(xiàn)，集群磁流變拋光加工AlN基板可以實(shí)現(xiàn)高效率超光滑拋光，基板經(jīng)過(guò)拋光60min后，粗糙度從1.7302μm降至0.0378μm；通過(guò)對(duì)燒結(jié)后的AlN陶瓷基板表面進(jìn)行等離子體輔助拋光和無(wú)等離子體照射拋光的比較，可發(fā)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)用等離子體輔助拋光可以獲得500nm·h^?1的材料去除率，是無(wú)等離子體照射拋光的兩倍。在精拋實(shí)驗(yàn)中，獲得了表面粗糙度Ra為3nm的光滑AlN表面。

還有一些科研人員巧妙利用AlN易與水反應(yīng)這一特點(diǎn)，采用溶膠—凝膠(SG)法對(duì)AlN陶瓷基板拋光，采用一種半固結(jié)磨料拋光工具“溶膠凝膠拋光膜”對(duì)AlN基板進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出AlN基板粗拋階段宜采用溶膠凝膠拋光膜干法拋光，精拋階段宜采用溶膠凝膠拋光膜濕法拋光進(jìn)行加工，達(dá)到較高的表面質(zhì)量。在粗拋階段中機(jī)械作用力占主導(dǎo)，精拋階段中水合作用占主導(dǎo)。

陶瓷基板作為集成電路和覆銅板的襯底材料，其表面質(zhì)量直接影響后端器件的使用壽命和作用可靠性，為了滿足器件集成化、小型化和高可靠性的發(fā)展要求，未來(lái)對(duì)陶瓷基板表面質(zhì)量的要求會(huì)愈發(fā)嚴(yán)苛，應(yīng)用的陶瓷基板表面處理技術(shù)也面臨著越來(lái)越嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。綜合上述，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前陶瓷基板拋光存在的一些問(wèn)題和規(guī)律：

● 按照接觸方式的不同，可以將拋光方法分為三類，即接觸式拋光(機(jī)械拋光、化學(xué)機(jī)械拋光)、非接觸式拋光(電泳拋光、電解拋光、等離子體輔助拋光)以及介于接觸式和非接觸式的拋光方法(磁流變拋光)。研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)陶瓷基板的材質(zhì)以及表面要求，選擇不同的拋光方法或復(fù)合拋光方案；

● Al₂O₃、AlN、SiC陶瓷基板的拋光工藝研究相對(duì)較多，Si₃N₄和BeO陶瓷基板拋光工藝研究相對(duì)較少，需要開展進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。其中，BeO因其粉體具有毒性，對(duì)人體和環(huán)境危害較大，將會(huì)被其他陶瓷基板替代；