Poliermittel

Das Polieren von Glas ist in vielen Branchen von grundlegender Bedeutung, darunter in der Schmuckindustrie. Doch es geht über ästhetische Gründe hinaus: Auch Präzisionsoptiken, technische Gläser, Lasertechnik, Elektronik und Mobiltelefone benötigen durch Polieren veredelte Oberflächen. Ceroxid ist zusammen mit Eisenoxid (Polierrot) eines der effektivsten Glaspoliermittel und sorgt für hochwertig polierte Oberflächen. Die besondere Poliereffizienz des Ceroxid entsteht infolge dessen chemischer Eigenschaften. Das Polieren von Glas und anderen Oberflächen ist nämlich nicht nur ein rein mechanischer Prozess. Auch eine Reihe komplexer chemischer Wechselwirkungen zwischen dem Poliermittel, der Oberfläche und dem Poliermedium tragen zum Resultat bei. Obwohl mechanische Faktoren, wie etwa der Druck oder die Bewegung des Polierwerkzeugs beim Materialabtrag dominieren, müssen auch die chemischen Wechselwirkungen bei der Politur für ein optimales Ergebnis mit einbezogen werden. Dieser Prozess wird als chemisch-mechanisches Polieren oder Planarisieren (CMP) bezeichnet. In den letzten Jahren werden die Faktoren, die die Effizient des CMP beeinflussen, zunehmend stärker untersucht, denn die Nachfrage nach hochwertigen Oberflächen steigt stetig durch immer höher entwickelte moderne elektronische Geräte.

Ceroxidbasierte Polierpulver werden in der Regel durch die thermische Zersetzung von Carbonaten, Ceroxalaten, Acetaten oder Hydroxiden hergestellt. Dabei variieren die Gehalte an Ceroxid in den finalen Polierpulvern jedoch in einem relativ breiten Bereich von ca. 50 bis 100 %. Oft sind Seltenerdmetalle weitere Bestandteile in den Polierpulvern, sie werden nicht als kritischer Faktor angesehen, da Ceroxid mit den Oxiden anderer Lanthanoidelemente feste Lösungen bildet und sie in seine Kristallstruktur einbaut, ohne dessen kristalline Struktur zu verändern. Die Zusammensetzung kann demnach gut auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt und mit Additiven modifiziert werden. Handelsübliche Polierpulver bestehen hingegen nicht selten zu 100% aus Ceroxid.

Für optimale Ergebnisse beim chemisch-mechanischen Polieren sollte das Poliermittel geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen. Etwa eine hohe mechanische Beständigkeit, eine homogene Partikelgrößenverteilung und Kristallinität. Gleichzeitig sollte es eine ausreichende chemische Reaktivität aufweisen, um unter gegebenen Bedingungen mit der polierten Oberfläche zu interagieren und die Politur zu unterstützen.

Ein Beispiel ist die oberflächennahe Grabenisolierung beim chemisch-mechanischen Polieren. Hier ist etwa eine bestimmte Polierselektivität erforderlich, nämlich die Fähigkeit, Siliziumdioxid und nicht Siliziumnitrid zu entfernen. Poliermittel, die eine so hohe Selektivität aufweisen, müssen von hoher Qualität sein. So sind die Eigenschaften von Ceroxid in erster Linie durch die Bedingungen bestimmt, die das Material während seiner thermischen Behandlung im Herstellungsprozess ausgesetzt ist, vor allem durch die Kalzinierungstemperatur. IBU-tec hat extensive Erfahrung im Kalzinieren unterschiedlichster Materialien – exzellente Voraussetzungen, hochqualitatives Ceroxid zu entwickeln und zu produzieren.

Aus Karbonatvorstufen hergestellte Poliermittel weisen eine zunehmende Poliereffizienz (ausgedrückt in Form der Abtragsrate) auf, wenn die Kalzinierungstemperatur des Poliermittels zunimmt. Die dramatischsten Auswirkungen lassen sich in einem Temperaturbereich von ca. 300 – 700 °C beobachten. Universitäre Untersuchungen haben gezeigt, dass die Effizienz der Poliermittel mit einer weiteren Erhöhung der Kalzinierungstemperatur auf bis zu 1000 °C nicht weiter anstieg, während wir in unseren früheren Arbeiten hingegen noch einen gewissen Anstieg bei den Poliermitteln beobachteten, die bei Temperaturen knapp über 1000 °C geglüht wurden. Im Temperaturbereich von ca. 300 – 700 °C verändern sich nicht nur die wesentlichen physikalischen Eigenschaften von Ceroxid dramatisch, sondern auch seine Sorptionsfähigkeit und Reaktivität. Es ist somit nicht möglich, Pauschalaussagen zu treffen. Wenn die Politur ein kritischer Schritt für die Wertschöpfung ist, kann es nötig werden, unterschiedliche Herstellungsprozesse für das Poliermittel zu erproben und die optimale Lösung für Ihre bestimmte Anwendung zu finden.

Eine weitere Frage, die in einer Entwicklung von Poliermitteln zu klären ist, ist der Einfluss von Partikelgröße und Morphologie der Poliermittel auf den Poliervorgang und das Werkstück, sowie die Auswirkung verschiedener Konzentrationen des Poliermittels in der Polierschlämme. Der wissenschaftliche Fortschritt zum Verständnis der chemischen Aspekte des Polierprozesses hat über die Jahre so zugenommen, dass es nun möglich ist, dieses Wissen besser für die Auswahl des Poliermittels zu nutzen und chemische und andere Zusätze zu verwenden, um die Polierselektivität zu verbessern, insbesondere bei der flachen Grabenisolation beim chemisch-mechanischen Polieren.

IBU-tec hat eine Reihe von Ceroxiden durch Kalzinierung des Cercarbonat-Vorläufers bei verschiedenen Temperaturen zwischen 200 bis 1200 °C hergestellt. Die Glaspoliereffizienz wurde anschließend in einer einfachen Anordnung ohne eine weitere Behandlung (z. B. Mahlen) der Poliermittel und ohne eine chemische Modifikation der Polierpaste gemessen, wobei bestätigt werden konnte, dass der thermische Prozess in der Tat erheblichen Einfluss auf die Performance des Poliermittels hat. Wir können Sie beraten und Sie bei Auswahl oder Entwicklung eines Poliermittels gezielt auf Ihre Anforderungen hin unterstützen. IBU-tec hat extensive Erfahrung in der Prozessentwicklung thermischer Prozesse, welche Sie in Anspruch nehmen können.