基于田口方法的混合集成基板CMP工藝優化研究*

謝 迪，李 浩，王從香，侯清健，崔 凱

（南京電子技術研究所，江蘇南京210039）

引 言

微電子技術的高速發展和微電路應用范圍的日益擴大對微電路技術提出了更高的要求：其產品向質量輕、體積小、高密度、多功能和高可靠性的方向發展。厚薄膜混合型多芯片組件（Multi-Chip Module,MCM-C/D）研制技術[1]兼顧了低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）技術高頻段使用，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點，能夠有效且可靠地應用于軍用微電子產品的高性能集成，是目前先進實用、性價比極高的MCM技術。

生料帶經沖孔、填孔、印刷、疊層、排膠、燒結、整平后形成LTCC基板[2]，其表面成分一般有陶瓷粉體、有機物及金屬漿料，分屬不同體系材料，物化性質差別很大[3]。此外，LTCC表面微觀起伏也很明顯：陶瓷部分粗糙度Ra為0.5μm左右，難以實現薄膜細線條工藝制備；漿料導通孔凸起高度H為10～20μm，超過薄膜工藝一般膜層厚度。因此，LTCC基板表面無法直接采用薄膜工藝進行布線。化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing,CMP）作為一種全局平坦化技術在厚薄膜混合基板的研制中顯得尤為關鍵，為后續薄膜布線提供平整、光潔的平面[4]。

田口試驗是由日本質量管理學家田口玄一為了改進試驗設計的成本和效益而提出的一套試驗設計方法。該方法利用綜合誤差因素法可極大地減少試驗次數，試驗設計的因素、水平的代表性很強，而且具有很強的可比性，能在其他因素、水平變動的情況下有效衡量某一因素的水平，可通過比較各因素的極差來確定影響因素的主次關系[5]。該方法已在冶金、機械、化工、電子等諸多領域得到廣泛應用。

1 試驗

1.1 技術原理

CMP技術的基本原理如圖1所示。旋轉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，由亞微米或納米級磨料和化學溶液組成的拋光液在基板與拋光墊之間動態流動，在基板表面形成一層液體反應膜。這層液膜起到質量傳輸與壓力傳遞的作用，在基板表面形成化學反應、機械磨削相互交替的加工效應。去除之前形成的反應膜，露出新生表面，進一步再生成反應膜，周而復始地去除基板表面待拋光區域[6]，從而使基板獲得高精度、低粗糙度、近乎于無加工缺陷的表面。

圖1 CMP工藝示意圖

1.2 試驗材料

LTCC采用Ferro公司A6M型生料帶燒結而成。單層生料帶厚度為50μm，填孔漿料為Au漿料，經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的具體力學性能參數如表1所示。

表1 SiO2主要力學性能

拋光墊選用陶氏化學公司生產的Politex拋光墊。該拋光墊屬于無紡布型拋光墊，具有硬度小、壓縮比大、彈性好的特點，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工藝過程中這些空隙用來承載拋光液。拋光墊的性能參數如表2所示[7]。

表2 Politex拋光墊主要力學性能

1.3 試驗方案

CMP技術是化學作用和機械作用相結合的技術，過程較復雜，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kP、載荷p以及基板與拋光墊之間的相對速度v，而Preston系數與基板表面反應液膜、基板與拋光液的動態接觸模型相關。本文依據實際情況選擇了拋光液pH值（A）、拋光載荷（B）和拋光盤轉速（C）作為影響材料去除率的3個關鍵因素，各因素分別取3個水平進行試驗，如表3所示。試驗基板采用1 mm厚的LTCC基板，經減薄工序后獲得待CMP拋光的LTCC基板。拋光設備采用韓國AM公司的ASP-400C精密單面拋光機，拋光時間為20 min，拋光液供給量為5 mL/min。

表3 因素水平表

根據上述分析，設計了3因素3水平的L9（33）田口試驗表頭進行試驗，只需進行9次試驗，相比于全因子試驗的27次可極大地減少試驗次數。選擇LTCC表面粗糙度Ra和導體漿料凸起高度H作為試驗評價指標，其值越小，說明CMP工藝的平坦化效果越好，表現為LTCC基板表面光潔度高、漿料突起高度小。每次試驗每個指標測量3次，取平均值記錄。Ra用面粗糙度進行評價，取樣范圍為350μm×260μm的矩形區域。LTCC陶瓷面上導體漿料凸起高度H如果為負值，則表示凹陷。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

按上述試驗方案進行CMP工藝試驗，試驗結果如表4所示。

表4 田口試驗結果

2.2 極差分析與討論

表5 R a和H的極差分析結果

對于本次試驗，表面粗糙度Ra的極差值RC>RA>RB，因此各因素影響Ra的先后順序為拋光盤轉速、拋光液pH值、拋光載荷；表面導體漿料凸起高度H的極差值RB>RA>RC，因此各因素影響H的先后順序為拋光載荷、拋光液pH值、拋光盤轉速。極差值僅僅反映了各因素影響試驗指標的主次關系，無法揭示各因素對試驗指標的定量影響程度。

2.3 方差分析與討論

為了深入挖掘典型CMP工藝參數對LTCC基板CMP工藝結果的影響程度，進行了方差分析表的計算。具體采用標準偏差平方值的和來計算和分析各參數的差異，包含試驗誤差的影響程度。實際工程中誤差不可避免，它是由試驗中采用的不同方法、試驗過程中不可控的因素以及試驗中的偶然因素等引起的。為了了解這些數據間差異的程度，通常需要對這些數據進行定量的方差分析。分析結果見表6，其中F值為檢驗值，通過計算方差比值來衡量數據的顯著差異。

表6 R a和H的方差分析結果

由表6中數據可知，對于評價指標Ra，各因素的F值并沒有顯著地大于1，也遠小于顯著性水平α為0.1的F臨界值9，因此認為在所選水平范圍內拋光液pH值、拋光載荷和拋光盤轉速3個工藝參數對Ra的影響不顯著。分析原因如下：一方面在本次田口試驗工藝參數條件下，基板表面粗糙度已經由0.5μm降低到0.05μm以下，光潔度已經很高；另一方面，由于LTCC材料存在一定的孔隙率，因此帶來較大的試驗誤差。對CMP拋光后的LTCC基板進行薄膜布線、微組裝工藝驗證，然后對基板表面的薄膜膜層進行鍵合拉力試驗以測試其附著力，結果滿足GJB 548B—2005中鍵合拉力測試要求，說明該厚薄膜混合集成工藝能夠滿足典型的微組裝工藝對膜層附著力的要求。LTCC基板CMP工藝試驗前后的粗糙度及表面形貌見圖2。

圖2 LTCC基板粗糙度及表面形貌

對于評價指標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進行對比，可以認為拋光液pH值對H有一定影響，但影響不顯著，拋光載荷對H有顯著影響，拋光盤轉速對H無顯著影響，這也與之前極差分析的結果相符。從CMP工藝角度進行原因分析，拋光載荷越大，導體漿料凸起部分壓入拋光墊越深，接觸到的拋光液就越少，無法有效利用拋光液的化學反應及拋光液中SiO2磨粒的機械作用，因此導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，與LTCC表面CaBO3和CaSiO4的化學反應效應就越強[9]，而導體漿料對拋光液的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工藝試驗前后導體漿料凸起形貌見圖3。LTCC經減薄和CMP工藝后，導體漿料凸起高度H均有明顯降低，其中試驗9的H由燒結后的18.3μm降低到4.55μm，試驗1的H為0.97μm。結合表4中的結果（對于1，2，4，5，7號工藝試驗，H<3μm，不超過薄膜工藝膜層厚度），經后道薄膜工藝驗證，H值滿足再布線互連要求，通斷率良好，如圖4所示。

圖3 LTCC導體漿料凸起形貌

圖4 LTCC基板CMP及薄膜工藝

3 結束語

在MCM-C/D厚薄膜混合集成工藝技術中采用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、拋光盤轉速在30～50 r/min范圍內時能獲得光潔表面，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值和拋光盤轉速，綜合考慮LTCC光潔度與平整度兩個評價指標，優化的工藝參數范圍為：拋光液pH值8.6～10.2，拋光載荷16 kPa，拋光盤轉速30～80 r/min。

在固化部分拋光工藝的情況下，適當降低拋光載荷，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，達到更好的平坦化效果。采用優化后的參數對基板進行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，滿足LTCC厚薄膜混合工藝制備的要求。

在CMP工藝過程中，拋光墊的材質、硬度及表面微觀結構對基板表面拋光質量也有一定影響；拋光液成分、粘度、磨料硬度及尺寸等也會影響陶瓷材料與導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，值得進一步深入討論與研究。CMP材料去除機理涉及材料科學、物理化學、彈塑性力學、接觸力學等學科知識，盡管行業內關于CMP理論與技術的研究取得了一定進展，但主要集中在硅等半導體材料方面且以日本、美國等國家為主，國內開展相關研究起步較晚，而且在混合集成封裝領域研究不多，因此，CMP工藝是開發厚薄膜混合型MCM-C/D應用的基礎工藝技術。另外，除了基板表面光潔度與漿料導體高度外，基板CMP工藝的考核指標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合情況等，其研究工作將陸續展開。