謝 迪，李 浩，王從香，侯清健，崔 凱

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039）

引 言

微電子技術(shù)的高速發(fā)展和微電路應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大對(duì)微電路技術(shù)提出了更高的要求：其產(chǎn)品向質(zhì)量輕、體積小、高密度、多功能和高可靠性的方向發(fā)展。厚薄膜混合型多芯片組件（Multi-Chip Module,MCM-C/D）研制技術(shù)[1]兼顧了低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）技術(shù)高頻段使用，高密度、多層互連、埋置元件集成和薄膜電路高精度、高可靠性多方面的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效且可靠地應(yīng)用于軍用微電子產(chǎn)品的高性能集成，是目前先進(jìn)實(shí)用、性?xún)r(jià)比極高的MCM技術(shù)。

生料帶經(jīng)沖孔、填孔、印刷、疊層、排膠、燒結(jié)、整平后形成LTCC基板[2]，其表面成分一般有陶瓷粉體、有機(jī)物及金屬漿料，分屬不同體系材料，物化性質(zhì)差別很大[3]。此外，LTCC表面微觀(guān)起伏也很明顯：陶瓷部分粗糙度Ra為0.5μm左右，難以實(shí)現(xiàn)薄膜細(xì)線(xiàn)條工藝制備；漿料導(dǎo)通孔凸起高度H為10～20μm，超過(guò)薄膜工藝一般膜層厚度。因此，LTCC基板表面無(wú)法直接采用薄膜工藝進(jìn)行布線(xiàn)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing,CMP）作為一種全局平坦化技術(shù)在厚薄膜混合基板的研制中顯得尤為關(guān)鍵，為后續(xù)薄膜布線(xiàn)提供平整、光潔的平面[4]。

田口試驗(yàn)是由日本質(zhì)量管理學(xué)家田口玄一為了改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的成本和效益而提出的一套試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。該方法利用綜合誤差因素法可極大地減少試驗(yàn)次數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素、水平的代表性很強(qiáng)，而且具有很強(qiáng)的可比性，能在其他因素、水平變動(dòng)的情況下有效衡量某一因素的水平，可通過(guò)比較各因素的極差來(lái)確定影響因素的主次關(guān)系[5]。該方法已在冶金、機(jī)械、化工、電子等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 技術(shù)原理

CMP技術(shù)的基本原理如圖1所示。旋轉(zhuǎn)的待拋光基板在一定壓力的作用下壓在浸有拋光液的拋光墊上，由亞微米或納米級(jí)磨料和化學(xué)溶液組成的拋光液在基板與拋光墊之間動(dòng)態(tài)流動(dòng)，在基板表面形成一層液體反應(yīng)膜。這層液膜起到質(zhì)量傳輸與壓力傳遞的作用，在基板表面形成化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械磨削相互交替的加工效應(yīng)。去除之前形成的反應(yīng)膜，露出新生表面，進(jìn)一步再生成反應(yīng)膜，周而復(fù)始地去除基板表面待拋光區(qū)域[6]，從而使基板獲得高精度、低粗糙度、近乎于無(wú)加工缺陷的表面。

圖1 CMP工藝示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

LTCC采用Ferro公司A6M型生料帶燒結(jié)而成。單層生料帶厚度為50μm，填孔漿料為Au漿料，經(jīng)低溫共燒后形成厚度為1 mm的LTCC基板，LTCC基板表面粗糙度Ra為0.5～0.55μm。

拋光液選用Fujimi公司生產(chǎn)的COMPOL-80型拋光液，其中磨料為平均粒徑80 nm的SiO2。拋光液中SiO2的具體力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 SiO2主要力學(xué)性能

拋光墊選用陶氏化學(xué)公司生產(chǎn)的Politex拋光墊。該拋光墊屬于無(wú)紡布型拋光墊，具有硬度小、壓縮比大、彈性好的特點(diǎn)，常用于最后一道精拋工序。拋光墊表面有纖維狀的不均勻空隙，在CMP工藝過(guò)程中這些空隙用來(lái)承載拋光液。拋光墊的性能參數(shù)如表2所示[7]。

表2 Politex拋光墊主要力學(xué)性能

1.3 試驗(yàn)方案

CMP技術(shù)是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的技術(shù)，過(guò)程較復(fù)雜，影響因素較多，但由Preston方程[8]Rmr=kPpv可知，影響CMP中材料去除率Rmr的因素有Preston系數(shù)kP、載荷p以及基板與拋光墊之間的相對(duì)速度v，而Preston系數(shù)與基板表面反應(yīng)液膜、基板與拋光液的動(dòng)態(tài)接觸模型相關(guān)。本文依據(jù)實(shí)際情況選擇了拋光液pH值（A）、拋光載荷（B）和拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速（C）作為影響材料去除率的3個(gè)關(guān)鍵因素，各因素分別取3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，如表3所示。試驗(yàn)基板采用1 mm厚的LTCC基板，經(jīng)減薄工序后獲得待CMP拋光的LTCC基板。拋光設(shè)備采用韓國(guó)AM公司的ASP-400C精密單面拋光機(jī)，拋光時(shí)間為20 min，拋光液供給量為5 mL/min。

表3 因素水平表

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了3因素3水平的L9（33）田口試驗(yàn)表頭進(jìn)行試驗(yàn)，只需進(jìn)行9次試驗(yàn)，相比于全因子試驗(yàn)的27次可極大地減少試驗(yàn)次數(shù)。選擇LTCC表面粗糙度Ra和導(dǎo)體漿料凸起高度H作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越小，說(shuō)明CMP工藝的平坦化效果越好，表現(xiàn)為L(zhǎng)TCC基板表面光潔度高、漿料突起高度小。每次試驗(yàn)每個(gè)指標(biāo)測(cè)量3次，取平均值記錄。Ra用面粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)，取樣范圍為350μm×260μm的矩形區(qū)域。LTCC陶瓷面上導(dǎo)體漿料凸起高度H如果為負(fù)值，則表示凹陷。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按上述試驗(yàn)方案進(jìn)行CMP工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 田口試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析與討論

表5 R a和H的極差分析結(jié)果

對(duì)于本次試驗(yàn)，表面粗糙度Ra的極差值RC>RA>RB，因此各因素影響Ra的先后順序?yàn)閽伖獗P(pán)轉(zhuǎn)速、拋光液pH值、拋光載荷；表面導(dǎo)體漿料凸起高度H的極差值RB>RA>RC，因此各因素影響H的先后順序?yàn)閽伖廨d荷、拋光液pH值、拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速。極差值僅僅反映了各因素影響試驗(yàn)指標(biāo)的主次關(guān)系，無(wú)法揭示各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的定量影響程度。

2.3 方差分析與討論

為了深入挖掘典型CMP工藝參數(shù)對(duì)LTCC基板CMP工藝結(jié)果的影響程度，進(jìn)行了方差分析表的計(jì)算。具體采用標(biāo)準(zhǔn)偏差平方值的和來(lái)計(jì)算和分析各參數(shù)的差異，包含試驗(yàn)誤差的影響程度。實(shí)際工程中誤差不可避免，它是由試驗(yàn)中采用的不同方法、試驗(yàn)過(guò)程中不可控的因素以及試驗(yàn)中的偶然因素等引起的。為了了解這些數(shù)據(jù)間差異的程度，通常需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的方差分析。分析結(jié)果見(jiàn)表6，其中F值為檢驗(yàn)值，通過(guò)計(jì)算方差比值來(lái)衡量數(shù)據(jù)的顯著差異。

表6 R a和H的方差分析結(jié)果

由表6中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ra，各因素的F值并沒(méi)有顯著地大于1，也遠(yuǎn)小于顯著性水平α為0.1的F臨界值9，因此認(rèn)為在所選水平范圍內(nèi)拋光液pH值、拋光載荷和拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)Ra的影響不顯著。分析原因如下：一方面在本次田口試驗(yàn)工藝參數(shù)條件下，基板表面粗糙度已經(jīng)由0.5μm降低到0.05μm以下，光潔度已經(jīng)很高；另一方面，由于LTCC材料存在一定的孔隙率，因此帶來(lái)較大的試驗(yàn)誤差。對(duì)CMP拋光后的LTCC基板進(jìn)行薄膜布線(xiàn)、微組裝工藝驗(yàn)證，然后對(duì)基板表面的薄膜膜層進(jìn)行鍵合拉力試驗(yàn)以測(cè)試其附著力，結(jié)果滿(mǎn)足GJB 548B—2005中鍵合拉力測(cè)試要求，說(shuō)明該厚薄膜混合集成工藝能夠滿(mǎn)足典型的微組裝工藝對(duì)膜層附著力的要求。LTCC基板CMP工藝試驗(yàn)前后的粗糙度及表面形貌見(jiàn)圖2。

圖2 LTCC基板粗糙度及表面形貌

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)H，各因素的F值分別與α為0.1和0.05的F臨界值9和19進(jìn)行對(duì)比，可以認(rèn)為拋光液pH值對(duì)H有一定影響，但影響不顯著，拋光載荷對(duì)H有顯著影響，拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)H無(wú)顯著影響，這也與之前極差分析的結(jié)果相符。從CMP工藝角度進(jìn)行原因分析，拋光載荷越大，導(dǎo)體漿料凸起部分壓入拋光墊越深，接觸到的拋光液就越少，無(wú)法有效利用拋光液的化學(xué)反應(yīng)及拋光液中SiO2磨粒的機(jī)械作用，因此導(dǎo)體漿料的去除就越少，CMP后的H值就越大；拋光液pH值越大，拋光液堿性越強(qiáng)，與LTCC表面CaBO3和CaSiO4的化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)就越強(qiáng)[9]，而導(dǎo)體漿料對(duì)拋光液的pH值并不敏感，因此拋光液pH值越大，LTCC陶瓷/Au漿料的材料去除選擇比越大，CMP后的H值就越大。

LTCC基板CMP工藝試驗(yàn)前后導(dǎo)體漿料凸起形貌見(jiàn)圖3。LTCC經(jīng)減薄和CMP工藝后，導(dǎo)體漿料凸起高度H均有明顯降低，其中試驗(yàn)9的H由燒結(jié)后的18.3μm降低到4.55μm，試驗(yàn)1的H為0.97μm。結(jié)合表4中的結(jié)果（對(duì)于1，2，4，5，7號(hào)工藝試驗(yàn)，H<3μm，不超過(guò)薄膜工藝膜層厚度），經(jīng)后道薄膜工藝驗(yàn)證，H值滿(mǎn)足再布線(xiàn)互連要求，通斷率良好，如圖4所示。

圖3 LTCC導(dǎo)體漿料凸起形貌

圖4 LTCC基板CMP及薄膜工藝

3 結(jié)束語(yǔ)

在MCM-C/D厚薄膜混合集成工藝技術(shù)中采用CMP工藝加工LTCC基板，LTCC表面粗糙度的工藝窗口較寬，拋光液pH值為8.6～10.2、拋光載荷為16～42 kPa、拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速在30～50 r/min范圍內(nèi)時(shí)能獲得光潔表面，表面粗糙度Ra≤0.05μm（包含LTCC固有孔隙率）。LTCC表面導(dǎo)體漿料凸起高度H的影響因素依次為拋光載荷、拋光液pH值和拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速，綜合考慮LTCC光潔度與平整度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍為：拋光液pH值8.6～10.2，拋光載荷16 kPa，拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速30～80 r/min。

在固化部分拋光工藝的情況下，適當(dāng)降低拋光載荷，弱堿性的拋光液也有利于降低陶瓷/Au漿料的材料去除的選擇比，達(dá)到更好的平坦化效果。采用優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)基板進(jìn)行CMP加工，獲得了光潔、平整的表面，表面粗糙度Ra≤0.05μm，漿料凸起高度H≤3μm，滿(mǎn)足LTCC厚薄膜混合工藝制備的要求。

在CMP工藝過(guò)程中，拋光墊的材質(zhì)、硬度及表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)基板表面拋光質(zhì)量也有一定影響；拋光液成分、粘度、磨料硬度及尺寸等也會(huì)影響陶瓷材料與導(dǎo)體漿料的材料去除選擇比，因此，這些因素也是影響CMP工藝的工藝參數(shù)，值得進(jìn)一步深入討論與研究。CMP材料去除機(jī)理涉及材料科學(xué)、物理化學(xué)、彈塑性力學(xué)、接觸力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，盡管行業(yè)內(nèi)關(guān)于CMP理論與技術(shù)的研究取得了一定進(jìn)展，但主要集中在硅等半導(dǎo)體材料方面且以日本、美國(guó)等國(guó)家為主，國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究起步較晚，而且在混合集成封裝領(lǐng)域研究不多，因此，CMP工藝是開(kāi)發(fā)厚薄膜混合型MCM-C/D應(yīng)用的基礎(chǔ)工藝技術(shù)。另外，除了基板表面光潔度與漿料導(dǎo)體高度外，基板CMP工藝的考核指標(biāo)還有基板的總厚度偏差（Total Thickness Variation,TTV）、基板拋光表面與表面薄膜膜層的界面結(jié)合情況等，其研究工作將陸續(xù)展開(kāi)。