Die Leistung und Stabilität von Smartphones und Künstlicher Intelligenz (KI) hängt davon ab, wie gleichmäßig und präzise Halbleiteroberflächen bearbeitet werden. Forscher der KAIST haben das Konzept des alltäglichen „Schleifpapiers“ auf den Bereich der Nanotechnologie ausgeweitet und eine neue Technik entwickelt, mit der Halbleiteroberflächen bis auf atomarer Ebene gleichmäßig bearbeitet werden können. Diese Technologie hat das Potenzial, die Oberflächenqualität und Bearbeitungspräzision in fortschrittlichen Halbleiterprozessen wie High-Bandwidth Memory (HBM) erheblich zu verbessern.
KAIST (Präsident Kwang Hyung Lee) gab bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Sanha Kim vom Fachbereich Maschinenbau ein „Nano-Schleifpapier“ entwickelt hat, das Kohlenstoffnanoröhren – die zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar sind – als Schleifmaterial verwendet. Diese Technologie ermöglicht eine präzisere Oberflächenbearbeitung als bestehende Halbleiterfertigungsprozesse und reduziert gleichzeitig die bei der Herstellung entstehenden Umweltbelastungen, wodurch eine neue Planarisierungstechnik vorgestellt wird.
Warum herkömmliche Planarisierung an ihre Grenzen stößt
Obwohl Schleifpapier ein bekanntes Werkzeug zum Glätten von Oberflächen durch Reiben ist, war es bisher schwierig, es in Bereichen wie der Halbleiterindustrie einzusetzen, wo eine äußerst präzise Oberflächenbearbeitung erforderlich ist. Diese Einschränkung ergibt sich daraus, dass herkömmliches Schleifpapier durch das Aufbringen von Schleifpartikeln mit Klebstoffen hergestellt wird, wodurch es schwierig ist, extrem feine Partikel gleichmäßig zu fixieren.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat die Halbleiterindustrie ein Planarisierungsverfahren eingeführt, das als chemisch-mechanisches Polieren (CMP) bekannt ist und bei dem eine chemische Aufschlämmung verwendet wird, in der Schleifpartikel in Flüssigkeit dispergiert sind. Dieses Verfahren erfordert jedoch zusätzliche Reinigungsschritte und erzeugt große Mengen an Abfall, was den Prozess komplex und umweltschädlich macht.
Um diese Probleme zu lösen, hat das Forschungsteam das Konzept des Schleifpapiers auf den Nanobereich ausgeweitet. Durch vertikale Ausrichtung von Kohlenstoffnanoröhren, deren Fixierung in Polyurethan und teilweise Freilegung an der Oberfläche wurde ein „Nanoschleifpapier” realisiert. Diese Struktur unterdrückt strukturell das Ablösen von Schleifpartikeln, wodurch Bedenken hinsichtlich Oberflächenbeschädigungen ausgeräumt werden und eine stabile Leistung auch nach wiederholtem Gebrauch gewährleistet ist.
Nano‑Schleifpapier ermöglicht atomare Präzision
Das in dieser Studie entwickelte Nano-Schleifpapier erreicht eine Schleifdichte, die etwa 500.000 Mal höher ist als die des feinsten handelsüblichen Schleifpapiers. Die Präzision von Schleifpapier wird in Form der „Schleifdichte (Körnung)“ angegeben, die angibt, wie dicht die Schleifpartikel auf der Oberfläche angeordnet sind. Während gewöhnliches Schleifpapier in der Regel eine Körnung von 40 bis 3.000 aufweist, übersteigt die Körnung des Nano-Schleifpapiers 1.000.000.000. Durch diese extrem dichte Struktur können Oberflächen mit einer Präzision von mehreren Nanometern bearbeitet werden – das entspricht der Dicke von nur wenigen Atomen.
Die Wirksamkeit des Nano-Schleifpapiers wurde durch Experimente bestätigt. Raue Kupferoberflächen wurden auf eine Glätte im Nanometerbereich poliert, und in Experimenten zur Planarisierung von Halbleitermustern reduzierte die Technik Dishing-Defekte um bis zu 67 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen CMP-Prozessen. Dishing-Defekte bezeichnen das Phänomen, bei dem die Mitte von Verbindungsleitungen vertieft wird, ein schwerwiegender Defekt, der die Leistung und Zuverlässigkeit fortschrittlicher Halbleiter wie HBM beeinträchtigt.
Da die Schleifmaterialien auf der Schleifpapieroberfläche fixiert sind, erfordert diese Technologie im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren keine kontinuierliche Zufuhr von Slurry-Lösungen. Dies reduziert die Reinigungsschritte und eliminiert Slurry-Abfälle, was die Möglichkeit bietet, die Halbleiterfertigung auf umweltfreundlichere Verfahren umzustellen.
Einsatzmöglichkeiten in HBM und künftigen Halbleiterprozessen
Das Forschungsteam geht davon aus, dass diese Technologie sowohl bei fortschrittlichen Halbleiterplanarisierungsprozessen wie HBM, die in KI-Servern zum Einsatz kommen, als auch bei Hybridbonding-Prozessen, die als Halbleiterverbindungstechnologien der nächsten Generation zunehmend Beachtung finden, Anwendung finden kann. Die Studie ist auch insofern von Bedeutung, als sie das alltägliche Konzept von Schleifpapier auf die Nanopräzisionsbearbeitungstechnologie ausweitet und damit die Möglichkeit eröffnet, Kerntechnologien zu sichern, die für die Halbleiterfertigung erforderlich sind.
Professor Sanha Kim erklärte: „Dies ist eine originelle Studie, die zeigt, dass das alltägliche Konzept von Schleifpapier auf den Nanobereich ausgeweitet und auf die Herstellung ultrafeiner Halbleiter angewendet werden kann.“ Er fügte hinzu: „Wir hoffen, dass diese Technologie nicht nur zu einer verbesserten Halbleiterleistung, sondern auch zu umweltfreundlichen Herstellungsprozessen führen wird.“
