一种具有晶圆键合密封结构的键合晶圆

本发明涉及mems技术、晶圆级封装领域，特别是涉及一种具有晶圆键合密封结构的键合晶圆。

背景技术：

1、晶圆键合是微电子机械系统(mems)技术中具有mems工艺特色的关键三维集成工艺技术，应用非常广泛。晶圆键合是指在一定的外部工艺条件作用下，使两个晶圆衬底材料形成足够近的接触，最终通过相邻材料的界面之间形成的分子间作用力或化学键将两个材料牢固结合为一体，其键合强度可到数十至百mpa，实现微结构的机械连接、和/或电互连功能。目前，mems技术中已有多种成熟的键合工艺，如si-si键合、si-玻璃键合，au-au键合、cu-sn键合等，而且还在持续发展之中。通过晶圆键合技术，可以实现复杂的多层mems结构，也可以产生不同特性的复合材料。

2、在mems工艺中，晶圆键合只是众多工艺步骤中的关键工艺步骤之一，键合后的晶圆继续进行mems加工(光刻、减薄、刻蚀、薄膜沉积、电镀等)，实现立体三维mems结构制造。后续mems加工，通常需要经受清洗、溶液浸泡、真空、烘干、高温加热等工艺过程，为保证后续mems加工的顺利进行，需要较高的晶圆键合质量，键合不良、缺陷或键合强度低都很容易导致键合晶圆密封不良，在后续加工中键合晶圆内部结构液体/气体渗入，甚至键合晶圆分开即“爆片”，导致内部微结构损坏、工艺无法进行。键合晶圆的密封性能，包括液体密封和真空密封性能，对后续晶圆加工十分重要，但其又十分容易遭到破坏，其根本原因是晶圆密封，会因为仅一处贯通性缺陷而遭到破坏。

3、具体来说，在光刻工艺等工艺过程中，会涉及到水溶液，若键合晶圆无法做到良好的水密，芯片很容易进水，导致工艺的失败。在干法刻蚀工艺等工艺过程中，键合后的键合晶圆需被送入真空腔，若键合晶圆气密性较差，即使在键合时为真空键合，在键合后键合晶圆内部也会缓慢渗入气体，导致干法刻蚀中键合晶圆内外气压不平衡，很容易出现爆片或裂片的严重问题。因此，键合晶圆的水密气密性在整个键合后加工过程中尤为重要。

4、影响晶圆键合质量的因素主要涉及三大方面：

5、第一，待键合晶圆本身质量，键合工艺对晶圆的翘曲、平面度、表面粗糙度和晶圆颗粒物、干净程度要求极高，界面存在污染、表面不平整、颗粒物都有可能造成键合的缺陷、空洞、强度低等，导致键合质量较差，严重影响键合晶圆的密封性能。

6、第二，晶圆键合的工艺条件如温度、压力、真空、键合时间等，对键合良率、键合质量有重要影响。键合工艺参数曲线设置不合适，常常导致键合应力过大，严重时甚至“碎片”。由于晶圆键合机中还存着在晶圆上温度、压力分布的不均匀性，特别是键合压强的不均匀性，会导致晶圆局部区域键合不良，也会导致整个晶圆的密封性破坏。

7、第三，现有晶圆键合机的设计存在不足。为了完成键合前的抽真空，在两片待键合之间的配置金属间隔片(称为“spacer”，一般配置三片)，这些spacer位置处容易导致局部键合缺陷。虽然该键合缺陷仅是局部的，表面上看对整个晶圆键合影响不大，但会导致键合晶圆密封环的密封性能破坏，对后续的mems加工构成较大影响，甚至导致整个晶圆加工失败。

8、上述三个因素，通常会相互影响，导致晶圆键合是mems工艺中难度最大的工艺，是影响mems加工良率的关键因素之一。晶圆键合最主要的失效形式是键合晶圆的密封不良，导致后续工艺中液体渗入、真空密封不良。晶圆键合的密封性能是键合工艺的最大挑战，键合密封性问题将大幅度降低mems加工的良率，这正是急需解决的技术问题。

9、在mems工艺中，键合压力是关键技术参数，特别是键合点的键合压强对键合强度产生直接影响，通常键合点的压强越大键合强度也越大、键合质量越高，但受到键合机键合压力范围、键合晶圆可承受的压力、键合晶圆上的微结构承压能力等因素的限制，不能施加过大的键合压力。对键合机而言，只能控制键合机中键合圆盘对键合晶圆施加的键合压力，无法控制所有键合点的键合压强，会导致在键合晶圆上不同键合点处键合压强变化较大，分布很不均匀。特别是，在键合晶圆中芯片区域以外的边缘区域，目前技术对该区域大面积完全键合，其需键合面积过大因而该区域键合压强小，导致边缘区域键合质量差，严重影响键合晶圆的密封，后续mems工艺风险急剧增加。因此，对于晶圆键合尤其是已制作微结构的晶圆键合，键合良率是一个亟待解决的工艺难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有晶圆键合密封结构的键合晶圆，以提高晶圆键合质量，解决键合晶圆的密封技术难题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种具有晶圆键合密封结构的键合晶圆，其特征在于，包括彼此键合的第一晶圆与第二晶圆，所述第一晶圆与第二晶圆的键合面均包括晶圆芯片区域和分布在晶圆芯片区域以外的晶圆边缘区域，所述第一晶圆与第二晶圆的至少一个的晶圆边缘区域上设有晶圆键合密封结构，且晶圆键合密封结构包括外围封环、以及所述外围封环与所述晶圆芯片区域之间的网格状密封结构，使得所述晶圆键合密封结构的实际键合面积为对应的晶圆边缘区域的面积的10％至50％。

3、优选地，所述第一晶圆的晶圆芯片区域为第一晶圆芯片区域，所述第一晶圆的晶圆边缘区域为第一晶圆边缘区域；所述第二晶圆的晶圆芯片区域为第二晶圆芯片区域，所述第二晶圆的晶圆边缘区域为第二晶圆边缘区域；在所述第一晶圆或第二晶圆的晶圆边缘区域上设有晶圆键合密封结构时，所述外围封环包括沿晶圆边缘布设的多个同心的闭合圆环，相邻的两个第一圆环之间设有多个垂直于闭合圆环的切线的圆环间隔线条，圆环间隔线条的线宽和间距相等或不等；并且，所述网格状密封结构包括两个彼此交错的平行线条组，每个平行线条组的所有键合线条均平行，且每个平行线条组的所有键合线条优选等间隔，也可以不等间隔。

4、所述第一晶圆的晶圆芯片区域为第一晶圆芯片区域，所述第一晶圆的晶圆边缘区域为第一晶圆边缘区域；所述第二晶圆的晶圆芯片区域为第二晶圆芯片区域，所述第二晶圆的晶圆边缘区域为第二晶圆边缘区域；在所述第一晶圆与第二晶圆的晶圆边缘区域上均设有晶圆键合密封结构时，第一晶圆边缘区域上的晶圆键合密封结构包括第一晶圆的第一外围封环以及所述第一外围封环与所述第一晶圆芯片区域之间的第一网格状密封结构，第二晶圆边缘区域上的晶圆键合密封结构包括第二晶圆的第二外围封环以及所述第二外围封环与所述第一晶圆芯片区域之间的第二网格状密封结构，且第二外围封环与第一外围封环匹配以实现键合，第二网格状密封结构与第一网格状密封结构匹配以实现键合。

5、所述第一外围封环包括沿晶圆边缘布设的多个同心的第一闭合圆环，相邻的两个第一闭合圆环之间设有多个垂直于闭合圆环的切线的第一圆环间隔线条；第二外围封环与第一外围封环匹配，其包括沿晶圆边缘布设的多个同心的第二闭合圆环，相邻的两个第二闭合圆环之间设有多个垂直于闭合圆环的切线的第二圆环间隔线条；所述第一闭合圆环的数量为1-20，第一闭合圆环的线条宽度为50-300微米，相邻两个第一闭合圆环之间的间隙宽度为100-1500微米；所述第二闭合圆环的数量与第一闭合圆环的数量相同，第二闭合圆环的线条宽度小于、等于或大于第一闭合圆环的线条宽度，且相邻两个第二闭合圆环之间的间隙宽度与第二闭合圆环的线条宽度之和等于或者不等于相邻两个第一闭合圆环之间的间隙宽度与第一闭合圆环的线条宽度之和。

6、第一网格状密封结构包括两个彼此交错的第一平行线条组，每个第一平行线条组的所有第一键合线条均平行(优选等间隔，可以不等间隔)，第二网格状密封结构包括两个彼此交错的第二平行线条组，每个第二平行线条组中的第二键合线条均平行(优选等间隔，可以不等间隔)；第一键合线条的宽度为50-300微米，第一键合线条之间的间隙宽度为100-1500微米，第二键合线条的宽度小于、大于或等于第一键合线条的宽度，且第二键合线条的宽度与第二键合线条之间的间隙宽度之和等于或者不等于第一键合线条的宽度与第一键合线条之间的间隙宽度之和。

7、第二键合线条的宽度大于第一键合线条的宽度时，第二键合线条的宽度与第一键合线条的宽度的差值为5-20微米；第一键合线条的宽度大于第二键合线条的宽度时，第一键合线条的宽度与第二键合线条的宽度的差值为5-20微米。

8、第一晶圆芯片区域上排布有多个芯片，所述第一晶圆芯片区域和第二晶圆芯片区域中的一个的每个芯片的四周设有第一矩形键合密封环，在第一矩形键合密封环外设有晶圆芯片的划片道；每个芯片周围的第一矩形键合密封环的数量是一道或多道，第一矩形键合密封环的线条宽度为50-500微米；所述第一晶圆芯片区域和第二晶圆芯片区域中的另一个在其每个芯片所对应位置的四周为平面封环，或者设有与第一矩形键合密封环匹配的第二矩形键合密封环并在第二矩形键合密封环外设有晶圆芯片的划片道。

9、所述第一晶圆和第二晶圆为普通晶圆，soi晶圆，或双层soi晶圆。所述第一晶圆和第二晶圆的晶圆键合密封结构通过蚀刻工艺、剥离工艺、溅射或蒸发工艺、电镀工艺、或其组合加工而成。

10、所述第一晶圆和第二晶圆的键合方式包括直接键合、金属热压键合、和金属共晶键合中的一种。

11、所述第一晶圆和第二晶圆的晶圆键合密封结构材料与键合材料一致，键合材料是硅或金属材料，所述金属材料为金，铜，或铝。

12、本发明的具有晶圆键合密封结构的键合晶圆采用外围封环、以及外围封环与晶圆芯片区域之间的网格状密封结构，既可以提高键合晶圆边缘区域的键合压强从而提高键合质量，又可以达到键合晶圆密封的效果。在同等键合机压力下，通过减小晶圆边缘区域的实际键合面积来增大键合压强，例如在晶圆边缘区域，通过mems加工把部分区域刻蚀掉使实际键合面积大幅减小，可以减少至该区域原键合面积的10％至80％。通过此方法，可以大幅增大键合压强进而提高晶圆键合质量，同时也可以达到平衡、释放晶圆键合应力的效果。

13、除减小键合实际面积外，如果键合晶圆边缘密封结构图形设计不合理，例如刻蚀形成的非键合区域如果相互连通，会导致封环的一个较小区域局部键合不良，导致整个晶圆密封破坏，水或空气会从连通的间隙通道进入mems加工的图形结构中，破坏内部结构，甚至真空腔中或加热时“爆片”。因此，本发明通过外围封环与网格状密封结构来形成多层次、纵深的密封结构，避免了键合时的局部键合不良对整个晶圆键合密封的影响。

14、本发明的具有晶圆键合密封结构的键合晶圆，其晶圆键合密封结构分布在晶圆芯片区域以外的非芯片区域，可以将非芯片区域有效地被利用，起到晶圆密封的效果的同时，又可以减小键合晶圆芯片区域以外边缘键合区域的实际键合面积，增加键合点处的键合压强，提高晶圆键合质量。该键合密封结构包括外围封环、以及所述外围封环与所述晶圆芯片区域之间的网格状密封结构，所述外围封环与网格状密封结构共同构成多层次、纵深配置的晶圆键合密封结构，实现对键合晶圆的良好、可靠密封。

15、如上所述，本发明的具有晶圆键合密封结构的键合晶圆用于整个晶圆的防水密封和真空密封，对晶圆的后续mems加工工艺提供密封保护，保证工艺的顺利进行。