CN107378747B - 用于mems器件的化学机械抛光工艺 - Google Patents

用于mems器件的化学机械抛光工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，所述化学机械抛光工艺包括：S1：提供一待抛光MEMS器件晶圆；S2：固定待抛光MEMS器件晶圆；S3：对所述MEMS器件晶圆进行粗抛光；S4：对所述MEMS器件晶圆进行水抛光；S5：循环步骤S3、S4达n次或达到预设时间t；S6：对所述对MEMS器件晶圆进行精抛光；S7：冲洗抛光盘及晶圆，完成抛光。根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺步骤简单、可以减少抛光过程中的蝶形坑或粗糙度大等问题、保证器件的可靠性。

Description

用于MEMS器件的化学机械抛光工艺
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，更具体涉及一种用于MEMS器件的化学机械抛光工艺。
背景技术
基于微电子机械系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)技术的MEMS滤波器是射频结构中重要的MEMS器件，与传统的金属矩形或圆柱波导以及半导体元件制作的滤波器相比，MEMS滤波器具有低耗损、高隔离度、体积小等有点，随着技术要求不断提高，MEMS器件的加工要求也越来越高，相关技术中，通常采用多个抛光盘、多种配套抛光工艺进行抛光，这使得所需抛光时间较长，并且也增加了抛光成本。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，所述用于MEMS器件的化学机械抛光工艺简单、可以减少抛光过程中的蝶形坑或粗糙度大等问题、保证器件的可靠性。
根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，包括以下步骤：S1：提供一待抛光MEMS器件晶圆，所述MEMS器件晶圆包括硅衬底以及淀积在所述硅衬底上的磷硅玻璃；S2：清洁抛光头、抛光盘，将抛光垫安装于所述抛光头，并将所述待抛光MEMS器件晶圆固定在所述抛光盘上；S3：对所述MEMS器件晶圆进行粗抛光，其中，抛光压力p1为2.5psi-3.5psi，抛光头的转速v1为90rpm-110rpm,抛光盘的转速v1’为90rpm-110rpm，抛光液流量为200ml/min-300ml/min，抛光时间t1为110s-130s；S4：对所述MEMS器件晶圆进行水抛光，其中，抛光压力p2为0.8psi-1.2psi，抛光头的转速v2为90rpm-110rpm,抛光盘的转速v2’为90rpm-110rpm，抛光时间t2为3s-10s；S5：循环步骤S3、S4达n次或达到预设时间t；S6：对所述对MEMS器件晶圆进行精抛光，其中，抛光压力p3为1.25psi-1.75psi，抛光头的转速v3为65rpm-75rpm和所述抛光盘的转速v3’为65rpm-75rpm，抛光时间t3为15s-30s；S7：冲洗抛光盘及晶圆，完成抛光。
根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，通过合理设计抛光工艺步骤，并且抛光过程中的参数，与相关技术中采用连续式抛光工艺相比，可以减少由于晶圆表面温度升高对抛光液造成的影响，进而减少蝶形坑的产生，而通过高压水抛光既可以起到平衡晶圆表面温度的作用，也可以有效地去除掉抛光垫上的附着的抛光产物，从而降低粗糙度，同时，抛光过程中无需使用多个抛光盘，操作过程简单，可靠性高。
根据本发明的一些实施例，所述预设时间t为所述MEMS器件晶圆上待抛光的磷硅玻璃厚度与单次粗抛光的去除速率的比值。由此，通过预设时间t，可以有效地控制抛光过程，从而提高抛光精度。
根据本发明进一步的示例，为精确对MEMS器件晶圆的抛光过程，避免产生过抛，造成硅坑深度无法满足工艺要求，所述步骤S3、步骤S4的循环次数n为预设时间t与所述抛光时间t1之间的比值。
根据本发明的一些实施例，所述抛光头转速v1与所述抛光盘转速v1’相等。从而简化工艺操作，方便用户控制。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S3与所述步骤S6中使用同一种抛光垫，且为硬抛光垫。
根据本发明的一些实施例，所述抛光头的转速v2与所述抛光盘转速v2’相等。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S6中的抛光压力p3为所述步骤S3中的抛光压力p1的二分之一。
根据本发明的一些实施例，所述抛光液对硅的去除速率是所述抛光液对二氧化硅的去除速率的1.5-1.6倍,由此，可以降低抛光后的蝶形坑值，从而保证MEMS器件的可靠性。
根据本发明的一些实施例，所述硅衬底上的硅坑深度为3um-4um,所述磷硅玻璃的淀积厚度为3.5um-4.5um。
根据本发明的一些示例，所述预设时间t为339s-420s。
根据本发明的一些示例，所述步骤S3、S4的循环次数n为3次。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺的流程图；
图2是根据本发明实施例的MEMS器件晶圆的剖视图。
附图标记：
100：MEMS器件晶圆；
10：硅衬底；20：磷硅玻璃。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考附图描述根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺。
如图1和图2所示，根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，包括以下步骤：
S1：提供一个待抛光MEMS器件晶圆，如图2所示，该待抛光的MEMS器件晶圆100包括硅衬底10和磷硅玻璃20(phospho-silicate-glass，PSG)，磷硅玻璃20淀积在硅衬底10的上表面。
S2：清洁抛光头和抛光盘，将抛光垫固定安装于抛光头，并且将待抛光的MEMS器件晶圆固定在抛光盘上。
S3：对MEMS器件晶圆进行粗抛光，其中，根据待抛光MEMS器件晶圆的待抛光厚度、抛光液的去除速率等设定抛光过程的中工艺参数：抛光压力p1为2.5psi-3.5psi，抛光头的转速v1为90rpm-110rpm,抛光盘的转速v1’为90rpm-110rpm，抛光液流量为200ml/min-300ml/min，抛光时间t1为110s-130s。例如，在一个具体示例中，用户可以选择抛光压力p1为3psi，抛光头转速v1以及抛光盘转速v1’为97rpm、103rpm，抛光液流量为300ml/min，抛光时间为120s。
S4：采用高压水作为抛光液，对MEMS器件晶圆进行水抛光，工艺参数可以设定为：高压水可以为高压例子水，抛光压力p2为0.8psi-1.2psi，抛光头的转速v2为90rpm-110rpm,抛光盘的转速v2’为90rpm-110rpm，抛光时间t2为3s-10s，例如，在一个具体示例中，用户可以选择抛光压力p2为1psi，抛光头转速v2以及抛光盘转速v2’为97rpm、103rpm，抛光时间为5s。
S5：循环步骤S3、S4达n次或达到预设时间t，由此，与相关技术中采用连续式抛光相比，通过步骤S3、S4进行循环的间断式抛光，可以避免在连续抛光过程中，晶圆表面温度不断上升，化学反应剧烈，导致抛光液对硅以及二氧化硅的去除率失去平衡，进而造成蝶形坑(Dishing)值较大的问题，而且，间断地采用水抛光也可以有效地去除掉抛光垫上附着的抛光产物，有利于降低MEMS器件晶圆表面的粗糙度。
S6：对MEMS器件晶圆进行精抛光，该步骤的工艺参数可以设定为：抛光压力p3为1.25psi-1.75psi，抛光头的转速v3为65rpm-75rpm和所述抛光盘的转速v3’为65rpm-75rpm，抛光时间t3为15s-30s，由此，可以进一步地改善MEMS器件晶圆表面的粗糙度，从而满足工艺需求。
S7：冲洗抛光盘、晶圆，完成抛光。
由此，根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，通过采用粗抛-水抛式的间断式抛光工艺，并且合理设置抛光过程中的工艺参数，与相关技术中采用连续式抛光工艺相比，可以减少由于晶圆表面温度升高对抛光液造成的影响，进而减少蝶形坑的产生，而且，通过高压水抛光既可以起到平衡晶圆表面温度的作用，也可以有效地去除掉抛光垫上的附着的抛光产物，从而降低粗糙度，保证抛光的MEMS器件晶圆的可靠性。
根据本发明的一个实施例，为了控制抛光过程中抛光去除量，根据MEMS器件晶圆上待抛光的磷硅玻璃(PSG)的厚度以及单次抛光的去除速率，可以设置大致的预设时间t，从而避免抛光过程中可能产生的过抛，从而提高抛光精度。
根据本发明的另一个实施例，通过设置循环次数n,也就是说根据抛光的预设时间t与单次粗抛光时间t1之间的比值预设步骤S3、S4循环次数n,这样，既可以控制抛光过程，避免过抛，又可以简化用户工艺操作。
在本发明的一些示例中，在粗抛光过程中，抛光头转速v1可以与抛光盘转速v1’相等，这样，可以简化工艺操作，方便用户进行控制。
在本发明的一些可选示例中，步骤S3粗抛光所使用的抛光垫与步骤S6中精抛光使用的抛光垫相同且均为硬抛光垫，例如，可以采用IC系列硬pad，这样，抛光过程中无需使用多个抛光盘，操作过程简单，同时，又可以保证抛光精度，提高可靠性。
在本发明的一些示例中，在水抛光过程中，抛光头的转速v2可以与抛光盘转速v2’，这样，可以简化工艺操作，方便用户进行控制。
在本发明的一些实施例中，为进一步地保证抛光效果，避免产生过抛，步骤S6中抛光压力p3大致为步骤S3中的抛光压力p1的二分之一，当然，本领域技术人员也可以根据实际待抛光MEMS器件晶圆的磷硅玻璃(PSG)的厚度进行调整以保证实际抛光效果。
在本发明的一些示例中，抛光液对硅的去除速率是其对二氧化硅去除速率的1.5-1.6倍，例如，在本示例中，相同工艺条件下，抛光液对二氧化硅的去除速率约为7000A/min-8000A/min，而该抛光液对硅的去除速率为11060A/min-12640A/min，这样，可以减少抛光后的晶圆表面的蝶形坑值。
在本发明的一些实施例中，待抛光MEMS器件晶圆的硅坑深度为3um-4um，而，磷硅玻璃(PSG)的淀积厚度为3.5um-4.5um,例如，硅坑深度可以为3.5um，磷硅玻璃淀积厚度可以为4um，当然，本领域技术人员也可以根据实际设计需求进行选择。
在本发明的进一步的示例中，预设时间t为339s-420s，也就是说，根据磷硅玻璃的待抛光的淀积厚度以及单次粗抛光的去除速率，预设时间t(即总的抛光时间)大致为339s-420s,从而可以便于用户对抛光过程中进行控制，避免过抛产生，提高精确度。
在本发明的进一步的示例中，步骤S3、S4的循环次数为3次，也就是说需要循环3次对MEMS器件晶圆进行粗抛光-水抛光，从而保证最终抛光后的晶圆的蝶形坑值及粗糙度值，满足工艺需求。
下面参照附图1描述根据本发明一个具体实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺。
为了验证此抛光方法，采用其它三种抛光方法与本发明在3片相同制作工艺的MEMS滤波器晶圆上进行对比实验,其中抛光方法A、B为目前抛光常用方法，抛光方法C为本发明的探索过程中所使用到的抛光方案，具体实验方法描述及抛光结果如下表表1所示(注：粗糙度测量范围为20X 20μm)。
抛光方法A：第一步,在IC系列硬抛光垫上进行抛光，使用2.5～3.5psi抛光压力，连续抛光270～320s，第二步,在另外一张politex系列软抛光垫进行Polish，抛光压力约为粗抛压力的二分之一，抛光时间为15～25s；
抛光方法B：只再IC系列硬抛光垫上进行粗抛，抛光压力为2.5～3.5psi，连续抛光270～320s；
抛光方法C：只进行粗抛，在IC系列硬抛光垫上进行间断式多步抛光，即循环3次进行2.5～3.5psi、抛光液抛光110s～130s，水抛3～10s；
本发明抛光方法：使用IC系列硬抛光垫，进行间断式多步粗抛抛光，即循环3次进行2.5～3.5psi，抛光液抛光110s～130s，水抛3～10s；再继续使用此张IC系列硬抛光垫进行精抛修复，抛光压力为粗抛压力的二分之一左右，抛光盘与抛光头转速降低到70rpm左右，与抛光液流量不变，抛光时间为15～30s。
表1
由表1可以看出，本发明所使用的抛光方法为最优化的抛光工艺，抛光后从碟形坑值以及粗糙度值都达到了最小，满足行业内工艺需求标准。
相关技术中，由于MEMS晶圆表面需要去除的PSG材料较厚，如过连续抛光，时间较长，在连续的抛光过程(例如A、B方法)中，温度不断上升，化学反应剧烈，所以抛光液对Si以及PSG的去除速率已经失去原有的速率平衡比，造成抛光后蝶形坑值(dishing)较大，另一方面抛光液一直分布在抛光垫上，不利于抛光产物的去除，同时也造成晶圆表面粗糙度较大的问题。
根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，通过使用间断式的多步抛光方法，可以避免此问题，粗抛光一段时间(110～130s)后用去离子水抛光3～10s不仅能够起到平衡温度的作用还可以有效去除掉抛光垫上附着的抛光产物，而且有利于降低晶圆表面的粗糙度，同时采用使用较小的压力等对MEMS晶圆进行最后的精修，也可以进一步降低粗糙度。相比与传统的硅片抛光在最后修复晶圆表面时采用politex系列软抛光垫，可能对带有Si—PSG台阶的图形片造成了dishing值过大，进而影响MEMS滤波器性能的问题，根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺采用单一硬抛光垫进行精抛，从而进一步地减少可能的蝶形坑值。
根据本发明实施例的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一待抛光MEMS器件晶圆，所述MEMS器件晶圆包括硅衬底以及淀积在所述硅衬底上的磷硅玻璃；
S2：清洁抛光头、抛光盘，将抛光垫安装于所述抛光头，并将所述待抛光MEMS器件晶圆固定在所述抛光盘上；
S3：对所述MEMS器件晶圆进行粗抛光，其中，抛光压力p1为2.5psi-3.5psi，抛光头的转速v1为90rpm-110rpm,抛光盘的转速v1’为90rpm-110rpm，抛光液流量为200ml/min-300ml/min，抛光时间t1为110s-130s；
S4：对所述MEMS器件晶圆进行高压水抛光，其中，抛光压力p2为0.8psi-1.2psi，抛光头的转速v2为90rpm-110rpm,抛光盘的转速v2’为90rpm-110rpm，抛光时间t2为3s-10s；
S5：循环步骤S3、S4达n次或达到预设时间t；
S6：对所述MEMS器件晶圆进行精抛光，其中，抛光压力p3为1.25psi-1.75psi，抛光头的转速v3为65rpm-75rpm和所述抛光盘的转速v3’为65rpm-75rpm，抛光时间t3为15s-30s；
S7：冲洗抛光盘及晶圆，完成抛光。
2.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述预设时间t为所述MEMS器件晶圆上待抛光的磷硅玻璃厚度与单次粗抛光的去除速率的比值。
3.根据权利要求2所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述步骤S3、步骤S4的循环次数n为预设时间t与所述抛光时间t1之间的比值。
4.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述步骤S3与所述步骤S6中使用同一种抛光垫，且为硬抛光垫。
5.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述抛光头转速v1与所述抛光盘转速v1’相等。
6.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述抛光头的转速v2与所述抛光盘转速v2’相等。
7.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述步骤S6中的抛光压力p3为所述步骤S3中的抛光压力p1的二分之一。
8.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述抛光液对硅的去除速率是所述抛光液对二氧化硅的去除速率的1.5-1.6倍。
9.根据权利要求1所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述硅衬底上的硅坑深度为3um-4um,所述磷硅玻璃的淀积厚度为3.5um-4.5um。
10.根据权利要求7所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述预设时间t为339s-420s。
11.根据权利要求7所述的用于MEMS器件的化学机械抛光工艺，其特征在于，所述步骤S3、S4的循环次数n为3次。
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