Quantifizierung polierter Oberflächen
Unter Polieren versteht man die Glättung von Oberflächen unter Verwendung von Chemikalien. Poliervorgänge werden in verschiedenen industriellen Bereichen eingesetzt, z. B. beim Läppen in der Halbleiterfertigung.
In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Merkmale des Polierens und Ätzens sowie Anwendungsbeispiele für 3D-Profilmesssysteme vorgestellt.
- Läppen
- Polieren mit einer Schleifscheibe
- Elektrolytisches Polieren (Elektropolieren)
- Chemisches Polieren
- Beispiel für eine Oberflächenanalyse
- Beispiel für eine Profilmessung von Polierkissen
- Beispiel für eine Profilmessung an einem Schleifstein
- Verschiedene Ätzarten
- Betrachtung von polierten Metallstrukturen
- Beispiel für eine Ätzmengen-Auswertung
- Beispiel für eine Oberflächenrauheitsmessung nach dem chemischen Polieren
Läppen
Nach DIN-Norm gehört das Läppen zu den zerspanenden Fertigungsverfahren und ist gleichzeitig eine der schonendsten Bearbeitungsformen aller Schleifverfahren. Positionieren Sie ein Objekt auf einer ebenen Oberflächenplatte, die als Läppmaschine bezeichnet wird, geben Sie Läpppulver (wie Diamant, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid) als Schleifmittel zwischen Objekt und Oberflächenplatte und drehen Sie den Tisch, um die Oberfläche des Objekts zu polieren.
- A
- Seitenansicht
- B
- Schlamm
- C
- Schlammzuführung
- D
- Wafer
- E
- Trägerfolie
- F
- Polierkissen
- G
- Drehtisch zum Polieren
Polieren mit einer Schleifscheibe
Ein Schleifmittel wird auf eine Scheibe gegeben, die gegen die zu polierende Oberfläche drückt. Die Oberfläche wird poliert, indem sich die Scheibe dreht.
Elektrolytisches Polieren (Elektropolieren)
Ein Objekt wird in eine sogenannte Elektropolierlösung getaucht und von einem elektrischen Strom durchflossen, sodass das Objekt als Anode fungiert. Kleine Mengen an Eisen- oder Nickelatomen lösen sich am gegenüberliegenden Pol (Kathode) und ätzen das Objekt. Die zu polierende Oberfläche kann durch Veränderung der Position der Kathode verändert werden. Dies ermöglicht eine feine Kontrolle der Rauheit mit einer geringen Menge an Ätzung.
- A
- Netzanschluss
- B
- Elektrolyt
- C
- Gegenpol (Kathode)
- D
- Objekt (Anode)
- (1) Vor dem Polieren
- Unregelmäßigkeiten im Bereich von mehreren Mikrometern
- (2) Während des Polierens
- Oberflächenunregelmäßigkeiten werden entfernt
- (3) Nach dem Polieren
- Geglättet
Die Elektrolyse führt dazu, dass sich Unebenheiten vorranging auflösen, wodurch die Oberfläche geglättet wird.
Chemisches Polieren
Das Objekt wird in eine saure Polierlösung getaucht, um seine Oberfläche teilweise aufzulösen. Im Unterschied zum Elektropolieren kann die Objektoberfläche nicht ausgewählt werden, weshalb die gesamte Oberfläche, die mit der Lösung in Berührung kommt, gleichmäßig geätzt wird.
| Elektrolytisches Polieren (Elektropolieren) | Chemisches Polieren | |
|---|---|---|
| Poliermenge |
Ca. 1 bis 5 μm |
Ca. 1 bis 20 μm |
| Verfügbare Genauigkeit |
Submikrometer |
Mikrometer |
| Elektrode |
Erforderlich |
Nicht erforderlich |
Beispiel für eine Oberflächenanalyse
Die Analyse der Oberflächenbeschaffenheit und des Verschleißmusters vor und nach dem Ätzen ermöglicht es, die Materialanordnung und die Bedingungen der chemischen Zusammensetzung im Detail zu klassifizieren und zu quantifizieren. Dies kann zur Reduzierung der Fertigungskosten führen.
3D Laserscanning-Mikroskop
- Mehrere Datensätze können gleichzeitig und unter denselben Bedingungen analysiert werden.
- Die oberflächenbasierte Auswertung ermöglicht die Analyse von Rauheit, Volumen und Oberfläche.
Beispiel für eine Profilmessung von Polierkissen
Die Oberflächenbeschaffenheit der Polierkissen beeinflusst die Ebenheit und Gleichmäßigkeit des polierten Objekts.
Die Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit ermöglicht es, die Qualität und Lebensdauer der Produkte zu verbessern.
3D Laserscanning-Mikroskop
- Der Messbereich ist groß genug, um das gesamte Messobjekt mit nur einer Messung zu bewerten.
- Keine Probenvorbereitung erforderlich.
- Das Profil und die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können quantifiziert werden.
Beispiel für eine Profilmessung an einem Schleifstein
Ein Schleifstein besteht aus einem Schleifkorn aus Diamant, das auf einem Trägermaterial, häufig Metall, aufgebracht ist.
Die Bewertung des Profils von galvanisch beschichteten Schleifsteinen kann zu einer besseren Produktionsquote führen.
3D Laserscanning-Mikroskop
- Es ist eine zerstörungsfreie Bewertung möglich.
- Das Profil und die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können quantifiziert werden.
Verschiedene Ätzarten
Das Ätzen lässt sich grundsätzlich in Nassätzen, das chemische Lösungen wie Säuren oder Laugen verwendet, und Trockenätzen unterteilen, das Ionen, Gas oder Radikale verwendet.
Nassätzen
- Isotropes Ätzen
-
An der Maskenöffnung wird das Objekt mit gleicher Geschwindigkeit radial geätzt, sodass der Bereich unmittelbar unter der Maske gebohrt wird (Seitenätzung, Hinterschneidung).
- A
- Maske
- Anisotropes Ätzen
-
Dieses Verfahren steuert das Seitenätzen, um unter Ausnutzung der kristallinen Anisotropie nur in eine bestimmte Richtung zu ätzen.
- A
- Maske
Trockenätzen
- Chemisches Ätzen (Isotropes Ätzen)
-
Dieses Verfahren nutzt die chemische Reaktion zwischen einem ionisierten oder radikalischen Reaktionsgas und dem Objekt.
- A
- Ionenplasma
- B
- Abdeckmittel
- C
- SiO2- oder andere Oxidschicht (Isoliermaterial)
- D
- Silizium-Wafer
- E
- Schichten, die nicht vom Abdeckmittel bedeckt sind, werden von den Ionen entfernt.
- Direktionales Ätzen
-
Bei diesem Verfahren wird das Objekt geätzt, indem Ionen oder schnelle neutrale Partikel mit Richtungseigenschaften emittiert werden.
Betrachtung von polierten Metallstrukturen
Metallstrukturen, die bisher nur mit einem REM zu sehen waren, können nun betrachtet werden. Die Messung der Höhe der durch Ätzen erodierten Stellen ermöglicht eine präzise Bewertung der Struktur.
3D Laserscanning-Mikroskop
- Die hohe Bildqualität ermöglicht die Betrachtung von Metallstrukturen, die bisher nur mit einem REM zu sehen waren.
- Da das Profil und die Rauheit der Oberfläche quantifiziert werden, muss kein zusätzlicher Zeitaufwand in die Analyse investiert werden.
- Die Messung der Höhe, der durch Ätzen entfernten Stellen, ermöglicht die Identifizierung der Struktur.
Beispiel für eine Ätzmengen-Auswertung
Der Effekt des Ätzens, der sich im Laufe der Zeit oder bei Temperaturschwankungen ändert, kann durch Beurteilung des Oberflächenprofils oder der Oberflächenrauheit quantifiziert werden.
3D Laserscanning-Mikroskop
- Die Unterschiede im Oberflächenprofil können quantifiziert werden.
- Die Oberflächenrauheit kann ohne den Einfluss und Verschleiß eines Messtasters beurteilt werden.
- Ätzdauer
-
0 Minuten 
-
5 Minuten 
-
10 Minuten 
Beispiel für eine Oberflächenrauheitsmessung nach dem chemischen Polieren
Die Messung der Oberflächenrauheit verbessert das Verständnis für die Auswirkungen des chemischen Polierens auf das Grundmaterial, was wiederum die Produktionsquote verbessert.
3D Laserscanning-Mikroskop
- Es werden 2D- und 3D-Bilder aufgenommen, die eine quantitative und qualitative Oberflächenbewertung ermöglichen.
- Die Rauheitsmessung über die gesamte Oberfläche ermöglicht ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit.
