CN102285624A - 带有热应力释放结构的键合晶圆及激光划片工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有热应力释放结构的键合晶圆，包括相互贴合的玻璃晶圆和硅片晶圆，键合晶圆的键合接触面附近开设有用于激光划片的热应力释放结构，热应力释放结构沿拟定的激光划片轨迹对应设置；本发明的键合晶圆的应力释放结构可防止划片轨迹附近原来键合的区域裂开，可提高键合晶圆的激光划片成品率，降低划片成本；本发明还公开了一种激光划片工艺，包括加工热应力释放结构、键合晶圆和激光划片加工等工艺步骤；本发明的激光划片工艺，能有效释放激光划片过程中的热应力，从而抑制键合接触面的热致裂痕，使键合接触面的力学性能得到大幅提高，有利于MEMS芯片性能的提升，同时工艺简单成熟，能够保证较低的成本和较高的成品率。
Description
技术领域
本发明主要涉及到微机械加工领域（MEMS），具体涉及一种带有热应力释放结构的键合晶圆和一种激光划片工艺。
背景技术
由于越来越多的MEMS器件制作在键合晶圆上，使得键合晶圆的划片工艺成为影响MEMS器件制作成品率的关键工艺。目前常用的键合晶圆划片工艺主要有机械划片和激光划片两种工艺。机械划片工艺由于需要利用冷却液对砂轮片进行水冷降温，会引入污染物，影响MEMS器件芯片洁净度，故很少用来对键合晶圆进行划片；利用激光束进行非接触式加工的激光划片以其高精度、高效率和无污染等优点逐渐成为键合晶圆划片的主流工艺。
目前，常用的消融激光划片工艺（laser ablation dicing）适用于薄晶圆划片。尽管这种工艺能够完成单层晶圆无应力自由形状划片, 但由于利用这种工艺进行键合晶圆划片时，在划片线周围区域会淀积许多碎片，并且在晶圆键合接触面会产生热致裂痕, 使之难以应用于键合晶圆的划片[C. K. Chung, S. L. Lin. CO2 laser micromachined crackles through holes of Pyrex7740 glass. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 50, pp. 961–968, 2010.]。近年来迅速发展的隐形激光划片工艺（laser stealth dicing），由于其在划片过程中不产生碎片和机械应力受到推崇。但是利用隐形激光划片工艺对键合晶圆进行划片时，对每一层不同材料晶圆划片，必须利用不同波长的激光器进行划片，使得键合晶圆划片工艺变得复杂，设备投入昂贵，划片成本急剧增加 [Y. Izawa, S. Tanaka, H. Kikuchi, “Debris-free In-air Laser Dicing for Multi-layer MEMS by Perforated Internal Transformation and Thermally-induced Crack Propagation”, MEMS 2008, Tucson, AZ, USA, January 13-17, 2008, pp.822-827.]。而且对于隐形激光划片工艺而言，要完成自由形状划片也是相当困难的，这限制了隐形激光划片工艺的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种用于避免激光划片工艺产生热致裂痕的带有热应力释放结构的键合晶圆，以及相应提供一种激光划片的工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种带有热应力释放结构的键合晶圆，包括相互贴合的玻璃晶圆和硅片晶圆，所述键合晶圆的键合接触面附近开设有用于激光划片的热应力释放结构，所述热应力释放结构沿拟定的激光划片轨迹对应设置。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述热应力释放结构优选为热应力释放凹槽。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述热应力释放凹槽开设于靠近所述键合接触面的玻璃晶圆和/或硅片晶圆上。
上述的键合晶圆中，优选地，所述热应力释放凹槽的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度；所述热应力释放凹槽的深度为微米级。所述热应力释放凹槽的深度进一步优选为5微米～10微米。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种激光划片工艺，该工艺中利用了上述键合晶圆中的热应力释放结构，包括以下步骤：
（1）加工热应力释放结构：利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺，在一硅片晶圆和/或一玻璃晶圆上靠近键合接触面的一侧开设热应力释放凹槽，并使所述热应力释放凹槽沿拟定的激光划片轨迹对应布置；
（2）键合：利用键合工艺完成所述的硅片晶圆和玻璃晶圆的键合，得到键合晶圆；
（3）激光划片加工：先用旋转激光束在所述键合晶圆的玻璃晶圆表面沿拟定的激光划片轨迹进行激光划片，划穿后形成一与所述热应力释放凹槽相连通的划槽；然后用非旋转激光束沿所述划槽对硅片晶圆表面进行激光划片（不划穿硅片晶圆）；最后通过裂片方式使键合晶圆上的芯片分离，完成划片工艺。
上述的激光划片工艺中，优选地，用旋转激光束在对玻璃晶圆进行激光划片过程中，所述旋转激光束沿拟定的激光划片轨迹完成多次的激光划片行程；用非旋转激光束在对硅片晶圆进行激光划片过程中，所述非旋转激光束沿拟定的激光划片轨迹完成一次激光划片行程。
上述的激光划片工艺中，优选地，所述热应力释放凹槽的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度；所述热应力释放凹槽的深度为微米级。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的键合晶圆，通过在玻璃晶圆上或硅片晶圆上设置热应力释放结构，比如凹槽，能够有效释放激光划片时激光划片区域多层晶圆之间由于热膨胀系数不一致导致的热应力，可防止划片轨迹附近原来键合的区域裂开，从而能有效避免划片过程中产生的热致裂痕对键合接触面的影响，可提高键合晶圆的激光划片成品率，降低划片成本；
本发明的激光划片的工艺，通过合理地运用微机械加工工艺（湿法腐蚀或者干法刻蚀），在划片的玻璃晶圆或者硅片晶圆上刻蚀出热应力释放凹槽结构，使得激光划片过程中的热应力得到有效释放，键合接触面的热致裂痕得到有效抑制，键合接触面的力学性能得到大幅提高，有利于MEMS芯片性能的提升；同时本发明的工艺简单而且成熟，能够保证较低的成本和较高的成品率。
附图说明：
图1为本发明实施例1的激光划片工艺中对玻璃晶圆加工得到的热应力释放凹槽的结构示意图（图1～图18均为剖面图）；
图2为本发明实施例1的激光划片工艺中得到的键合晶圆的结构示意图；
图3为本发明实施例1的激光划片工艺中利用旋转激光束对玻璃晶圆划片的示意图；
图4为本发明实施例1的激光划片工艺中利用非旋转激光束对硅片晶圆划片的示意图；
图5为本发明实施例2的激光划片工艺中对硅片晶圆加工得到的热应力释放凹槽的结构示意图；
图6为本发明实施例2的激光划片工艺中得到的键合晶圆的结构示意图；
图7为本发明实施例2的激光划片工艺中利用旋转激光束对玻璃晶圆划片的示意图；
图8为本发明实施例2的激光划片工艺中利用非旋转激光束对硅片晶圆划片的示意图；
图9为本发明实施例3的激光划片工艺中对玻璃晶圆加工得到的热应力释放凹槽的结构示意图；
图10为本发明实施例3的激光划片工艺中得到的键合晶圆的结构示意图；
图11为本发明实施例3的激光划片工艺中利用旋转激光束对顶部玻璃晶圆划片的示意图；
图12为本发明实施例3的激光划片工艺中利用旋转激光束对底部玻璃晶圆划片的示意图；
图13为本发明实施例3的激光划片工艺中利用非旋转激光束对硅片晶圆划片的示意图；
图14为本发明实施例4的激光划片工艺中对硅片晶圆加工得到的热应力释放凹槽的结构示意图；
图15为本发明实施例4的激光划片工艺中得到的键合晶圆的结构示意图；
图16为本发明实施例4的激光划片工艺中利用旋转激光束对顶部玻璃晶圆划片的示意图；
图17为本发明实施例4的激光划片工艺中利用旋转激光束对底部玻璃晶圆划片的示意图；
图18为本发明实施例4的激光划片工艺中利用非旋转激光束对硅片晶圆划片的示意图；
图19为本发明实施例1的激光划片工艺中利用利用键合晶圆制作的芯片表面形貌照片；
图20为本发明实施例1的激光划片工艺中利用键合晶圆制作的芯片的划片切口剖面的扫描电镜图。
图例说明
1、玻璃晶圆；11、顶部玻璃晶圆；12、底部玻璃晶圆；2、硅片晶圆； 3、热应力释放凹槽；31、顶部热应力释放凹槽；32、底部热应力释放凹槽；4、MEMS硅微结构；5、键合接触面；51、顶部键合接触面；52、底部键合接触面； 61、旋转激光束；62、非旋转激光束；7、划槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
如图2所示，一种本发明的带热应力释放结构的键合晶圆，其为双层晶圆结构，包括相互贴合的玻璃晶圆1和硅片晶圆2，在玻璃晶圆1下表面上靠近键合接触面5的一侧沿拟定的激光划片轨迹对应开设有热应力释放结构，硅片晶圆2上制作有一定数量的MEMS硅微结构4；本实施例中，热应力释放结构为热应力释放凹槽3，其开设于靠近键合接触面5的玻璃晶圆1上，热应力释放凹槽3的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度，热应力释放凹槽3的深度为8微米。
一种激光划片工艺，如图1～图4所示，具体包括以下工艺步骤：
（1）加工热应力释放结构：如图1所示，利用湿法腐蚀工艺在玻璃晶圆1上靠近键合接触面5的一侧，沿拟定的激光划片轨迹对应腐蚀出热应力释放凹槽3，并使热应力释放凹槽3的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度，热应力释放凹槽3的深度为8微米；
（2）键合：如图2所示，利用键合工艺完成玻璃晶圆1和硅片晶圆2的键合，并使热应力释放凹槽3与拟定的激光划片轨迹对准，完成键合晶圆制作；
（3）激光划片加工：首先通过激光器发出的旋转激光束61，在键合晶圆的玻璃晶圆1表面沿拟定的激光划片轨迹进行激光划片，进行1～3次划片行程，直到划穿玻璃晶圆，形成一与热应力释放凹槽3相连通的划槽7（热应力释放凹槽3的宽度大于划槽7的宽度），参见图3；然后通过激光器发出的非旋转激光束62，沿划槽7对硅片晶圆2表面进行激光划片，仅进行1次划片行程，划片深度以不贯穿硅片晶圆2为准，参见图4；最后通过裂片方式使键合晶圆上的芯片分离，完成划片工艺。
划片完成后，利用键合晶圆制作的芯片表面形貌照片（参见图19）和芯片的划片切口剖面的扫描电镜图（参见图20）均可以看到，键合接触面未产生热致裂痕。
实施例2：
如图6所示，一种本发明的带热应力释放结构的键合晶圆，本实施例的键合晶圆的结构与实施例1基本相同，不同之处在于将热应力释放凹槽3开设于硅片晶圆2上。
一种激光划片工艺，如图5～图8所示；本实施例的激光划片工艺与实施例1基本相同，只在步骤（1）加工热应力释放结构时有所不同，本实施例利用干法刻蚀工艺将热应力释放凹槽3开设于硅片晶圆2上，参见图5；再通过与实施例1相同的键合双层晶圆步骤和激光划片步骤，完成划片工艺，参见图6～图8。
划片完成后，利用键合晶圆制作的芯片的划片切口剖面的扫描电镜图和芯片表面形貌照片可以看到，键合接触面未产生热致裂痕。
实施例3：
如图10所示，一种本发明的带热应力释放结构的键合晶圆，其为三层晶圆结构，从上至下依次包括相互贴合的顶部玻璃晶圆11，硅片晶圆2和底部玻璃晶圆12，硅片晶圆2上制作了一定数量的MEMS硅微结构4，顶部玻璃晶圆11上靠近顶部键合接触面51的一侧沿拟定的激光划片轨迹对应开设有顶部热应力释放凹槽31，硅片晶圆2位于两片玻璃晶圆之间，底部玻璃晶圆12上靠近底部键合接触面52的一侧沿拟定的激光划片轨迹对应开设有底部热应力释放凹槽32，顶部热应力释放凹槽31和底部热应力释放凹槽32的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度，顶部热应力释放凹槽31和底部热应力释放凹槽32的深度均为8微米。
一种激光划片工艺，如图9～图13所示，具体包括以下工艺步骤：
（1）加工热应力释放结构：如图9所示，利用湿法腐蚀工艺，在顶部玻璃晶圆11上靠近顶部键合接触面51的一侧，沿拟定的激光划片轨迹对应腐蚀出顶部热应力释放凹槽31，并使顶部热应力释放凹槽31的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度，顶部热应力释放凹槽31的深度为8微米；在底部玻璃晶圆12上靠近底部键合接触面52的一侧，沿拟定的激光划片轨迹对应腐蚀出底部热应力释放凹槽32，并使底部热应力释放凹槽32的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度，底部热应力释放凹槽32的深度为8微米；
（2）键合：如图10所示，利用键合工艺完成顶部玻璃晶圆11、硅片晶圆2和底部玻璃晶圆12的键合，并使顶部热应力释放凹槽31、底部热应力释放凹槽32均与拟定的激光划片轨迹对准，得到键合晶圆；
（3）激光划片加工：首先通过激光器发出的旋转激光束61，在键合晶圆的顶部玻璃晶圆11表面沿拟定的激光划片轨迹进行激光划片，进行1～3次划片行程，直到划穿顶部玻璃晶圆11，形成一与顶部热应力释放凹槽31相连通的划槽7，参见图11；再翻转键合晶圆，使底部玻璃晶圆12位于顶部玻璃晶圆11上方，用相同的方式在键合晶圆的底部玻璃晶圆12表面沿拟定的激光划片轨迹进行激光划片，直到划穿底部玻璃晶圆12，参见12；再次翻转键合晶圆，使顶部玻璃晶圆11又位于底部玻璃晶圆12上方，通过激光器发出的非旋转激光束62，沿顶部玻璃晶圆11上的划槽7对硅片晶圆2表面进行激光划片，进行1次划片行程，划片深度以不贯穿硅片晶圆2为准，参见13；最后对经三次激光划片后的三层键合晶圆通过裂片方式使芯片分离，完成划片工艺。
划片完成后，利用键合晶圆制作的芯片的划片切口剖面的扫描电镜图和芯片表面形貌照片可以看到，键合接触面未产生热致裂痕。
实施例4：
如图15所示，一种本发明的带热应力释放结构的键合晶圆，本实施例的键合晶圆与实施例3的结构基本相同，不同之处在于将顶部热应力释放凹槽31和底部热应力释放凹槽32分别开设于硅片晶圆2的顶面和底面上。
一种激光划片工艺，如图14～图18所示；本实施例的激光划片工艺与实施例3基本相同，只在步骤（1）加工热应力释放结构时有所不同，本实施例将热应力释放凹槽3顶部热应力释放凹槽31和底部热应力释放凹槽32分别开设于硅片晶圆2的顶面和底面上，参见图14；再通过与实施例3相同的键合三层晶圆步骤和激光划片步骤，完成划片工艺，参见图15～图18。
划片完成后，利用键合晶圆制作的芯片的划片切口剖面的扫描电镜图和芯片表面形貌照片可以看到键合接触面未产生热致裂痕。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，均应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1. 一种带有热应力释放结构的键合晶圆，包括相互贴合的玻璃晶圆和硅片晶圆，其特征在于：所述键合晶圆的键合接触面附近开设有用于激光划片的热应力释放结构，所述热应力释放结构沿拟定的激光划片轨迹对应设置。
2. 根据权利要求1所述的带有热应力释放结构的键合晶圆，其特征在于：所述热应力释放结构为热应力释放凹槽。
3. 根据权利要求2所述的带有热应力释放结构的键合晶圆，其特征在于：所述热应力释放凹槽开设于靠近所述键合接触面的玻璃晶圆和/或硅片晶圆上。
4. 根据权利要求2或3所述的带有热应力释放结构的键合晶圆，其特征在于：所述热应力释放凹槽的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度；所述热应力释放凹槽的深度为微米级。
5. 根据权利要求4所述的带有热应力释放结构的键合晶圆，其特征在于：所述热应力释放凹槽的深度为5微米～10微米。
6. 一种激光划片工艺，包括以下步骤：
（1）加工热应力释放结构：利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺，在一硅片晶圆和/或一玻璃晶圆上靠近键合接触面的一侧开设热应力释放凹槽，并使所述热应力释放凹槽沿拟定的激光划片轨迹对应布置；
（2）键合：利用键合工艺完成所述的硅片晶圆和玻璃晶圆的键合，得到键合晶圆；
（3）激光划片加工：先用旋转激光束在所述键合晶圆的玻璃晶圆表面沿拟定的激光划片轨迹进行激光划片，划穿后形成一与所述热应力释放凹槽相连通的划槽；然后用非旋转激光束沿所述划槽对硅片晶圆表面进行激光划片；最后通过裂片方式使键合晶圆上的芯片分离，完成划片工艺。
7. 根据权利要求6所述的激光划片工艺，其特征在于：用旋转激光束在对玻璃晶圆进行激光划片过程中，所述旋转激光束沿拟定的激光划片轨迹完成多次的激光划片行程；用非旋转激光束在对硅片晶圆进行激光划片过程中，所述非旋转激光束沿拟定的激光划片轨迹完成一次激光划片行程。
8. 根据权利要求6或7所述的激光划片工艺，其特征在于：所述热应力释放凹槽的宽度大于拟定的激光划片轨迹的宽度；所述热应力释放凹槽的深度为微米级。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20111221 Assignee: Hunan Tianyi Navigation Technology Co. Ltd. Assignor: National Defence Science &. Technology Univ., PLA Contract record no.: 2016430000031 Denomination of invention: Bonded wafer with thermal stress release structure and laser scribing process Granted publication date: 20140917 License type: Exclusive License Record date: 20161220 |