低温共烧陶瓷基板表面制备与功能化研究：提升高分辨率集成与薄膜兼容性

为解决LTCC基板表面粗糙度高、孔隙率大及与半导体材料集成困难等问题，研究人员开展了多步表面制备与功能化研究，结合研磨、化学机械抛光(CMP)和溶胶-凝胶(MTMS)涂层技术，将表面粗糙度(Rq)从300 nm降至90 nm，并实现109°疏水角，显著提升了高频应用兼容性。该研究为射频通信和光电子器件集成提供了新思路。

　　

现代电子器件的小型化和高性能化对基板材料提出了严苛要求。低温共烧陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)因其优异的耐热性、化学惰性和多层集成能力，成为射频(RF)组件和传感器的理想选择。然而，LTCC的玻璃-陶瓷复合结构导致烧结后表面粗糙度高达300 nm，残余孔隙和微观结构不均一性严重制约了半导体薄膜沉积和精密图案化工艺。更棘手的是，传统二氧化硅溶胶涂层在热加工中易开裂，难以满足高频器件的介电稳定性需求。

为突破这些瓶颈，Kateryna Soloviova团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，创新性地将机械抛光与有机-无机杂化溶胶凝胶技术结合。研究人员首先采用瑞士Schweizer OFB的专有研磨技术将基板平整度控制在3 μm以内，随后通过化学机械抛光(CMP)系统优化压力(0.5-1.5 psi)和转速(50-70 rpm)参数，使表面粗糙度(R_a)从210 nm锐减至40 nm。最具突破性的是采用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)改性的溶胶-凝胶涂层，通过48小时低温(10°C)水解和四天缩聚反应，在LTCC表面构建了兼具疏水性和机械强度的1.57 μm透明薄膜。

关键技术包括：1）多参数CMP工艺优化；2）MTMS溶胶-凝胶的低温可控合成；3）氟等离子体刻蚀实现选择性图案化；4）原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)表征表面特性；5）椭圆偏振光谱测定薄膜折射率(1.406)。

3.1 研磨工艺

初始研磨阶段即将基板平整度控制在3 μm内，LSM测量显示研磨后R_q为740 nm，为后续抛光奠定基础。

3.2 CMP优化

样本3在0.5 psi低压、70 rpm高转速组合下表现最优，曲率差仅0.109 μm，总厚度变异(TTV)低至1.32 μm。 Preston定律分析证实，材料去除率(MRR)与压力和转速的平衡直接决定表面质量。

3.3 溶胶-凝胶功能化

FTIR检测到2910 cm^-1处甲基振动峰，证实MTMS成功键合。XPS显示表面碳含量达23.13 at%，比体相高118%，解释了109°超高疏水角的成因。AFM测得纳米级粗糙度(R_a=8.69 nm)，相位成像揭示局部孔隙率低于1%。

3.3.3 等离子刻蚀验证

采用CHF₃/CF₄混合气体刻蚀25分钟后，EDX线扫描显示钛信号从0%骤增至36%，证实溶胶-凝胶层可精准刻蚀且与半导体工艺兼容。

这项研究通过创新性的"机械抛光-化学功能化"协同策略，将LTCC基板的表面性能提升至半导体级标准。尤其值得注意的是，MTMS改性涂层不仅将介电常数波动控制在0.02%，其独特的甲基富集表面更为光刻工艺提供了抗润湿平台。研究团队进一步证明，该功能化表面可通过标准等离子刻蚀实现微米级图案化，为LTCC-半导体异质集成开辟了新路径。这些突破性进展使得LTCC在5G射频模块、车载雷达和功率电子等领域的应用前景更加广阔，有望推动下一代电子器件向更高频率、更小尺寸方向发展。