CN103434998B - 晶圆级气密性的测试结构及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆级气密性的测试结构及测试方法，方法包括：键合第一、第二晶片，第一晶片中有多个第一类空腔和一第二类空腔；第二类空腔上的第二晶片有凹槽；包围第一类空腔、第二类空腔的第二晶片和凹槽上均有第一金属；第一类空腔上的第二晶片中有MEMS装置；提供有多个第三类空腔和一第四类空腔的第三晶片，包围第三类空腔、第四类空腔的第三晶片和第四类空腔顶部均有第二金属；第二晶片上的第一金属与第三晶片上的第二金属键合形成多个MEMS器件和一测试结构，第四类空腔中的气压小于第二类空腔中的气压，本发明通过测试结构中的电容变化反映MEMS器件的密封性，无需将每个MEMS器件从晶片切割下来进行密封性测试，此法操作简单、效率高、成本低。

Description

晶圆级气密性的测试结构及测试方法

技术领域

本发明属于半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种晶圆级气密性的测试结构及测试方法。

背景技术

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）是利用微细加工技术在单块硅芯片上集成传感器、执行器、处理控制电路的微型系统，其中的处理控制电路使用传统的微电子制造工艺制成（如CMOS、Bipolar、BICOMS等）。在MEMS的众多工艺环节中，以MEMS的封装最为引人注目，难度也最大。据统计，MEMS的封装成本约占整个MEMS器件成本的50～80％。

MEMS封装的目的就是将MEMS装置和附加IC电路组成一个完成的MEMS系统，完成电互连、功能的实现和保护。由于MEMS装置中含有一些微小的机械结构，如果使其暴露在恶劣多变的工作环境下，一方面会造成微结构的破坏，另一方面由于灰尘、化学溶剂、温度、湿度、压力等的不确定性也会造成MEMS器件性能的不稳定，甚至失灵。

如图1所示，通常封装采用晶圆级密封，即在晶片（晶片1和2键合后再与晶片3键合）上直接对需要保护的MEMS装置A进行密封，也就是只对晶片的局部进行密封，这类密封工艺一般在将MEMS器件B从晶片上切割下来之前、在整个晶片上进行的。此外，对需要保护的MEMS装置进行密封的方式通常采用固相键合技术，如图2和3所示，把若干具有平面结构的晶片重叠结合在一起，例如具有空腔1-1的晶片1、晶片2和具有空腔3-1的晶片3重叠结合在一起（B、C键合），MEMS装置A存在与晶片2中，空腔为真空，从而构成MEMS器件。由于MESMS封装中的不良的密封性对于MEMS器件的可靠性来说起着关键的作用，所以，晶片重叠结合在一起的键合界面需要气密性良好。

但是，现有的键合界面气密性的测量方法，需要将晶片切割成一个个MEMS器件（Die），并逐一对每个MEMS器件进行密封测量以判断其密封性的好坏。而对每个MEMS器件的键合界面进行气密性的测量方法，一是判断位于晶片3表面上的铝凸块A与位于晶片2表面上的锗凸块B是否对准，二是做拉力测试，以测试需要用多大的力量才可以将铝凸块A和锗凸块B键合的界面分开，力量越小，键合界面气密性越差，反之，气密性越好。这种测量MEMS器件密封的方法费时费力，成本很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶圆级气密性的测试结构及测试方法，使测量MEMS器件气密性的方法操作简单、效率高、成本低。

为了解决上述问题，本发明提供一种晶圆级气密性的测试方法，包括：

提供键合的第一晶片和第二晶片，所述第一晶片中形成有多个第一类空腔和一具有第一气压的第二类空腔，多个所述第一类空腔分布在所述第二类空腔的周围；

在所述第二类空腔上的第二晶片中形成一凹槽；

在包围每一所述第一类空腔和包围所述第二类空腔的第二晶片上以及在所述凹槽的表面均形成第一金属，其中，所述凹槽上形成的第一金属与包围所述第二类空腔而形成在第二晶片上的第一金属相连；

在每一所述第一类空腔上的第二晶片中形成一MEMS装置；

提供一第三晶片，所述第三晶片中形成有多个第三类空腔和一第四类空腔，多个所述第三类空腔分布在第四类空腔的周围，在包围每一所述第三类空腔和包围所述第四类空腔的第三晶片上以及在所述第四类空腔的顶部形成第二金属；

所述第三晶片与第二晶片键合，通过包围每一所述第一类空腔而形成在第二晶片上的第一金属与包围每一所述第三类空腔而形成在第三晶片上的第二金属键合形成每一MEMS器件，通过包围所述第二类空腔而形成在第二晶片上的第一金属与包围所述第四类空腔而形成在第三晶片上的第二金属键合形成一测试结构，其中，所述第四类空腔具有的第二气压小于第一气压；

反复检测所述测试结构中的第四类空腔顶部的第二金属与凹槽上的第一金属间的电容，以评估MEMS器件的密封性能。

进一步的，当所述电容增大时，所述MEMS器件具有紧密的密封性能；当所述电容减小时，所述MEMS器件不具有紧密的密封性能。

进一步的，所述MEMS器件具有紧密的密封性能时，所述第二气压始终小于第一气压，所述凹槽对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔的方向向上弯曲。

进一步的，当所述MEMS器件不具有紧密的密封性能时，所述第二气压逐渐大于等于第一气压，所述凹槽对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔的方向，由向上弯曲逐渐变为不弯曲或向下弯曲。

优选的，所述第一金属和第二金属使用的材料不同且分别为锗或铝中的一种。

优选的，所述MEMS器件中的第二晶片的厚度为20μm-50μm。

优选的，所述凹槽的厚度为10μm-20μm。

优选的，所述第二类空腔和第四类空腔的深度和宽度分别为大于等于30μm和大于等于50μm。

本发明为了达到另一目的，还提供一种晶圆级气密性的测试结构，包括：

多个MEMS器件和一测试结构，每一所述MEMS器件和所述测试结构由下至上依次均包括键合的第一晶片、第二晶片、第三晶片，所述第三晶片上的第二金属与第二晶片上的第一金属键合，所述第一金属包围每一所述MEMS器件中的第一类空腔和包围所述测试结构中的第二类空腔，所述第二金属包围每一所述MEMS器件中的第三类空腔和包围所述测试结构中的第四类空腔，

每一所述MEMS器件中的第一晶片具有所述第一类空腔，每一所述MEMS器件中的第二晶片中具有一MEMS装置，每一所述MEMS器件中的第三晶片具有所述第三类空腔，

所述测试结构中的第一晶片中具有所述第二类空腔，所述测试结构中的第二晶片的减薄区域形成表面具有所述第一金属的一凹槽，所述测试结构中的第三晶片中形成顶部具有所述第二金属的所述第四类空腔，

所述第四类空腔具有的第二气压小于所述第二类空腔具有的第一气压。

由上述技术方案可见，本发明公开的晶圆级气密性的测试方法，通过反复检测所述测试结构中的第四类空腔顶部的第二金属与凹槽上的第一金属间的电容，以评估MEMS器件的密封性能，如测试结构中的电容增大时，说明测试结构的密封性能良好，所以所述第二气压会始终小于第一气压，从而使所述凹槽对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔的方向向上弯曲；如测试结构中的电容减小时，说明测试结构的密封性并不理想，测试结构以外的气压会进入第四类空腔，而使所述第二气压逐渐大于等于第一气压，从而使所述凹槽对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔的方向，由向上弯曲逐渐变为不弯曲或向下弯曲。由于所述测试结构与MEMS器件是通过同一晶圆级封装工艺进行封装的，因此，通过检测所述测试结构中的电容的大小变化，就可以间接地反映出所述MEMS器件键合的密封性能。

此外，本发明公开的晶圆级密封性的测量方法，可以通过一测试结构中的电容的大小变化，间接反映出围绕在所述测试结构周围的MEMS器件的密封性能，而无需将每个MEMS器件从晶片上切割下来进行密封性测试，因此本发明的测量方法操作简单、效率高、成本低。

附图说明

图1为现有技术中具有MEMS装置的晶圆级封装过程中的局部剖面结构示意图；

图2为现有技术中MEMS器件封装过程中的剖面结构示意图；

图3为图2所示的MEMS器件封装过程中的侧视结构示意图；

图4为本发明一实施例中的晶圆级气密性的测试方法的流程图；

图5A至5F为本发明一实施例中的晶圆级密封性的测量方法的侧面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

以图4所示的流程图为例，结合图5A至图5F，对本发明提供的一种晶圆级气密性的测试方法进行详细说明。

在步骤1中，参见图5A，提供一第一晶片10，在所述第一晶片的一表面上形成多个第一类空腔10-1和一第二类空腔10-2，每一所述第一类空腔分布在所述第二类空腔的周围，将形成有所述第一类空腔和第二类空腔的第一晶片的表面键合一第二晶片20，使所述第一晶片的第一类空腔和第二类空腔完全密封，密封的所述第二类空腔具有第一气压P1。

在后续步骤中，所述第二类空腔与第四类空腔形成的测试结构，需要模拟所述第一类空腔与第三类空腔形成的MEMS器件的结构，所以，所述第一类空腔10-1的深度H1为大于等于30μm，所述第二类空腔10-2的深度H1也为大于等于30μm，并且所述第二类空腔10-2的宽度D1为大于等于50μm。这是因为所述第二类空腔10-2的宽度和深度不能过小，否则，在后续步骤中，制成的测试结构中的第二类空腔和第四类空腔区域对应的第二晶片薄膜没有足够的空间进行弯曲，无法完成评估测试。

此外，所述第一晶片和第二晶片通过二氧化硅12进行熔融键合，键合的所述第二晶片的厚度为20μm-50μm，并且所述第一气压P1为大于等于0.1mT（豪托）、小于ATM（大气压）。

在步骤2中，参见图5B，将位于所述第二类空腔位置上的第二晶片的厚度减薄至10-20μm，从而在所述第二晶片的减薄区域形成一凹槽20-1。所述第二晶片的厚度不能太厚，否则减薄的时间过程，也不能太薄，否则，在后续步骤中，难以形成MEMS器件，而所述第二晶片减薄后的厚度H3不易太厚或太薄，否则难以弯曲或容易断裂。

在步骤3中，参见图5C，在包围每一所述第一类空腔10-1和包围所述第二类空腔10-2的第二晶片20上，以及在所述凹槽20-1的表面上均形成第一金属m1，并且所述凹槽20-1上形成的第一金属m1与包围所述第二类空腔10-2而形成在第二晶片20上的第一金属相连。

在步骤4中，参见图5D，去掉位于每一所述第一类空腔10-1位置上的部分第二晶片20，以在所述第二晶片中形成一MEMS装置20-2。

在步骤5中，参见图5E，提供一第三晶片30，所述第三晶片的一表面形成有多个第三类空腔30-1和一第四类空腔30-2，每一所述第三类空腔30-1分布在所述第四类空腔30-2的周围，然后在包围每一所述第三类空腔30-1和在包围所述第四类空腔30-2的第三晶片30上以及在所述第四类空腔30-2的顶部均形成第二金属m2。

其中，所述第三晶片30作为后续制作的MEMS器件的封装盖帽使用，且在每一所述MEMS器件中的第三晶片30中制作有用于分析和处理信号的CMOS器件30-3，每一所述CMOS器件与包围一所述第三类空腔30-1而形成在第三晶片30上的第二金属m2电性连接。

此外，所述第一金属m1和第二金属m2使用的材料可以不同，且分别为锗金属或铝金属中的一种。

在步骤6中，参见图5F，将所述第三晶片通过金属共晶键合到所述第二晶片上，即通过除所述凹槽20-1之外的第二晶片上的第一金属与除所述第四类空腔顶部之外的第三晶片上的第二金属进行键合，分别形成了多个MEMS器件A和一测试结构B。

键合的过程为：每一所述MEMS器件A，通过包围每一所述第一类空腔10-1而形成在第二晶片20上的第一金属m1与包围每一所述第三类空腔30-1而形成在第三晶片30上的第二金属m2键合形成，此时，所述第三晶片30的第三类空腔30-1完全密封。所述测试结构B，通过包围所述第二类空腔10-2而形成在第二晶片20上的第一金属m1与包围所述第四类空腔30-2而形成在第三晶片30上的第二金属m2键合形成，此时，使所述第三晶片30的第四类空腔30-2完全密封而具有大于等于0.1mT、小于10mT的第二气压P2，所述第二气压P2小于第一气压P1。

在步骤7中，继续参见图5F，反复检测所述测试结构B中的第四类空腔30-2顶部的第二金属m2与凹槽20-1上的第一金属m1之间的电容C，以评估MEMS器件A的密封性能，参见下表（一）：

测试条件	电容	评估器件密封性能
			P2<P1	C>C0	通过
P2≥P1	C≤C0	失败

表（一）

由于所述电容C的变化就是所述测试结构B中的第四类空腔30-2顶部的第二金属m2与凹槽20-1上的第一金属m1之间的间距变化，设所述测试结构B中的凹槽20-1为水平时，凹槽20-1上的第一金属m1也为水平，此时所述测试结构B中的第四类空腔30-2顶部的第二金属m2与凹槽20-1上的第一金属m1之间的电容为C0。

当检测到所述电容C增大（C>C0）时，表明所述测试结构B中的第四类空腔30-2顶部的第二金属m2与凹槽20-1上的第一金属m1之间的间距减小，即所述测试结构中的凹槽20-1对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔30-2的方向向上弯曲，这是因为如所述测试结构中键合的第一金属与第二金属具有紧密的密封性能时，所述第二气压P2始终小于第一气压P1。而所述测试结构与所述MEMS器件通过同一封装工艺进行封装，因此，可以得知所述MEMS器件具有紧密的密封性能。

当检测到所述电容C减小（C≤C0）时，表明所述测试结构B中的第四类空腔30-2顶部的第二金属m2与凹槽20-1上的第一金属m1之间的间距增大，即所述测试结构中的凹槽20-1对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔30-2的方向，由向上弯曲逐渐变为不弯曲或向下弯曲，这是因为如所述测试结构中键合的第一金属与第二金属不具有紧密的密封性能时，所述测试结构以外的大气压逐渐进入所述第四类空腔30-2中，使所述第四类空腔30-2中的第二气压P2由小于第一气压P1、逐渐大于等于第一气压P1。而所述测试结构与所述MEMS器件通过同一封装工艺进行封装，因此，可以得知所述MEMS器件也不具有紧密的密封性能。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种晶圆级气密性的测试方法，其特征在于，包括：

提供键合的第一晶片和第二晶片，所述第一晶片中形成有多个第一类空腔和一具有第一气压的第二类空腔，多个所述第一类空腔分布在所述第二类空腔的周围；

在所述第二类空腔上的第二晶片中形成一凹槽；

在包围每一所述第一类空腔和包围所述第二类空腔的第二晶片上以及在所述凹槽的表面均形成第一金属，其中，所述凹槽上形成的第一金属与包围所述第二类空腔而形成在第二晶片上的第一金属相连；

在每一所述第一类空腔上的第二晶片中形成一MEMS装置；

提供一第三晶片，所述第三晶片中形成有多个第三类空腔和一第四类空腔，多个所述第三类空腔分布在第四类空腔的周围，在包围每一所述第三类空腔和包围所述第四类空腔的第三晶片上以及在所述第四类空腔的顶部形成第二金属；

所述第三晶片与第二晶片键合，通过包围每一所述第一类空腔而形成在第二晶片上的第一金属与包围每一所述第三类空腔而形成在第三晶片上的第二金属键合形成每一MEMS器件，通过包围所述第二类空腔而形成在第二晶片上的第一金属与包围所述第四类空腔而形成在第三晶片上的第二金属键合形成一测试结构，其中，所述第四类空腔具有的第二气压小于第一气压；

反复检测所述测试结构中的第四类空腔顶部的第二金属与凹槽上的第一金属间的电容，以评估MEMS器件的密封性能。

2.如权利要求1所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：当所述电容增大时，所述MEMS器件具有紧密的密封性能；当所述电容减小时，所述MEMS器件不具有紧密的密封性能。

3.如权利要求2所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：所述MEMS器件具有紧密的密封性能时，所述第二气压始终小于第一气压，所述凹槽对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔的方向向上弯曲。

4.如权利要求2所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：当所述MEMS器件不具有紧密的密封性能时，所述第二气压逐渐大于等于第一气压，所述凹槽对应的第二晶片薄膜沿所述第四类空腔的方向，由向上弯曲逐渐变为不弯曲或向下弯曲。

5.如权利要求1所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：所述第一金属和第二金属使用的材料不同且分别为锗或铝中的一种。

6.如权利要求1所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：所述MEMS器件中的第二晶片的厚度为20μm-50μm。

7.如权利要求1所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：所述凹槽的厚度为10μm-20μm。

8.如权利要求1所述的晶圆级气密性的测试方法，其特征在于：所述第二类空腔和第四类空腔的深度和宽度分别为大于等于30μm和大于等于50μm。

9.一种利用权利要求1-8之一所述的晶圆级气密性的测试方法形成的晶圆级气密性的测试结构，其特征在于，包括：

多个MEMS器件和一测试结构，每一所述MEMS器件和所述测试结构由下至上依次均包括键合的第一晶片、第二晶片、第三晶片，所述第三晶片上的第二金属与第二晶片上的第一金属键合，所述第一金属包围每一所述MEMS器件中的第一类空腔和包围所述测试结构中的第二类空腔，所述第二金属包围每一所述MEMS器件中的第三类空腔和包围所述测试结构中的第四类空腔，

每一所述MEMS器件中的第一晶片具有所述第一类空腔，每一所述MEMS器件中的第二晶片中具有一MEMS装置，每一所述MEMS器件中的第三晶片具有所述第三类空腔，

所述测试结构中的第一晶片中具有所述第二类空腔，所述测试结构中的第二晶片的减薄区域形成表面具有所述第一金属的一凹槽，所述测试结构中的第三晶片中形成顶部具有所述第二金属的所述第四类空腔，

所述第四类空腔具有的第二气压小于所述第二类空腔具有的第一气压。