CN108059125A - 一种晶圆级键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆级键合方法，包括：在保护气体氛围中，将具有腔体和通孔的第一晶圆键合到第二晶圆上，获得具有内部腔体的键合晶圆，其中，通孔和内部腔体相连通，保护气体为在第一晶圆和第二晶圆键合时，不发生化学反应的气体；通过通孔对内部腔体进行真空处理，使内部腔体内为真空状态；对通孔进行密封，保证腔体内部高真空度。本发明所提供的晶圆级键合的方法，能够在很大程度上减小了晶圆级键合的成本，且提高了键合的工作效率。

Description

一种晶圆级键合方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，特别是涉及一种晶圆级键合方法。

背景技术

半导体MEMS器件晶圆级真空封装与传统的金属封装、陶瓷封装相比具有封装结构简单、体积小、成本低、真空寿命长等特点。晶圆级封装最关键的技术是晶圆级键合。

而目前通常所采用晶圆级键合的方法所使用的设备成本高，且键合时间长，工作效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶圆级键合方法，解决了晶圆级键合的高成本，低效率的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆级键合方法，包括：

在保护气体氛围中，将具有腔体和通孔的第一晶圆键合到第二晶圆上，获得具有内部腔体的键合晶圆，其中，所述通孔和所述内部腔体相连通，所述保护气体为在所述第一晶圆和所述第二晶圆键合时，不发生化学反应的气体；通过所述通孔对所述内部腔体进行真空处理，使所述内部腔体内为真空状态；对所述通孔进行密封。

其中，所述通过所述通孔对所述内部腔体进行真空处理包括：

将键合晶圆的放置于真空环境中。

其中，所述对所述通孔进行密封包括：

在真空环境中对所述通孔进行密封。

其中，所述在真空环境中对所述通孔进行密封包括：

向所述通孔中注入熔融状态的焊料，并对所述焊料进行降温处理，使所述焊料在通孔内凝固。

其中，所述在真空环境中对所述通孔进行密封包括：

向所述通孔中放入固体状态的焊料，对所述焊料进行加热至熔融状态，对熔融状态的所述焊料进行降温处理，使所述焊料在通孔内凝固。

其中，所述在真空环境中对所述通孔进行密封包括：

向所述通孔中放入固体状态的焊料后，向所述通孔中注入熔融状态的焊料，对熔融状态的焊料进行降温处理，使所述焊料在通孔内凝固。

其中，在将具有腔体和通孔的第一晶圆键合到第二晶圆上之前，还包括：

将所述通孔的孔壁进行金属化处理。

其中，所述通孔为锥形通孔。

其中，所述通孔为锥形通孔和柱形通孔相结合的通孔，其中所述锥形通孔孔径较小的一端和所述柱形同孔相连接。

其中，所述保护气体为惰性气体或氮气。

本发明所提供的晶圆级键合方法，通过在常温常压下，在一定的保护气体氛围中进行晶圆键合，相对于现有技术中采用的真空设备中进行晶圆键合，本发明中实现晶圆键合的设备更易于得到，设备成本更低；另外，由于现有技术中的晶圆键合是在真空中进行的，第一晶圆和第二晶圆在键合之前的升温以及键合之后的降温所耗费的时间非常的长，而本发明中是在气体非真空环境中进行键合的，气体的热对流和热传导作用能够加快热传递，从而缩短晶圆的升温和降温所耗费的时间。

因此本发明所提供的晶圆级键合的方法，能够在很大程度上减小了晶圆级键合的成本，且提高了键合的工作效率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中晶圆级键合方法的流程图；

图2中为本发明实施例中对通孔密封时的键合晶圆剖面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明实施例提供的晶圆级键合方法进行介绍。

如图1所示，图1为本发明提供的实施例中晶圆级键合方法的流程图，该方法可以包括：

步骤S101：在保护气体氛围中，将第一晶圆键合到第二晶圆上，获得具有内部腔体的键合晶圆。

需要说明的是，本发明中所指的第一晶圆是指带有凹槽的晶圆，且凹槽底部设置有贯穿该凹槽底部的通孔，而第二晶圆为设置有若干个芯片的晶圆，第一晶圆和第二晶圆相键合时，第一晶圆的凹槽恰好对应第二晶圆的芯片位置，并在凹槽处形成内部腔体，该内部腔体通过通孔和外部相连通。

另外，本发明中所指的保护气体是指在晶圆键合的过程中不会发生化学反应的气体，也即是化学性质相对不活泼的气体。可选的，本发明中的保护气体可以采用惰性气体。为了进一步节约整个晶圆键合的成本，本发明中的保护气体还可以采用氮气。

其次，为了降低对进行键合过程的设备的要求，可以使设备内部保护气体的气压为常压状态或者为负压状态，无需采购高真空精密键合设备，从而节省键合的成本。对于保护气体的温度，可以根据键合过程的需要做适当调节，本发明中可以不做限定。

步骤S102：通过通孔对键合晶圆内的内部腔体进行真空处理，使内部腔体处于真空状态。

因为晶圆的键合过程是在非真空环境下进行的，且第一晶圆上有预留通孔与外部连通，那么键合后得到的键合晶圆的内部腔体就是出于非真空状态，也即是内部腔体中的芯片是处于非真空环境中的，而芯片在非真空环境中是不能够正常工作的，因此，就需要通过通孔对内部腔体进行真空处理，使得芯片能够处于一个真空环境中。

步骤S103：对通气孔进行密封。

将内部腔体真空处理后，为了保证芯片能够一直处于真空环境，就需要对通气孔进行密封，使内部腔体成为一个处于真空状态的密封腔体，从而保证了芯片所处的环境为真空环境。

目前通常所采用的晶圆键合是将整个键合过程都在高真空设备内进行，由于高真空氛围中的气体非常稀薄，导热性能会大幅度降低，而在晶圆键合过程中，需要先对器件升温，当温度达到一定的温度值时，才能够进行晶圆键合，而完成晶圆键合后，为保证晶圆键合质量，需要在高真空环境中对键合晶圆降温后，才能够取出晶圆。由于高真空环境中导热性能非常差，因此，整个的升温、降温过程十分漫长，使得键合过程的工作效率特别低。另外，高真空键合设备的成本非常高，这无疑是增加了晶圆键合的成本。

本发明中采用在保护气体的氛围中进行键合，键合环境中的气体浓度也相应增大，从而提高了系统的导热性，使得键合过程中升温和降温所耗费的时间更短，从而在很大程度上提高了晶圆键合的工作效率，实现了晶圆键合封装的大规模的生产。

又因为，处于保护气体中的键合设备相对于处于高真空状态的键合设备而言，无需对设备抽真空，且设备内外压差小，从而可以降低对设备抗压性的要求，因此本发明中的键合设备的成本更低，因此在很大程度上降低了键合封装的成本，从而实现晶圆键合封装的大批量低成本的生产。

基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，对于将内部腔体进行真空化处理，可以进一步改进，具体可以是将键合晶圆放置于真空环境中，例如放置于高真空烤箱中。当然，本发明中也并不排除直接对内部腔体进行抽真空处理，但是由于通孔的孔径一般都非常小，抽真空处理的操作过程并不简单。因此，直接将键合晶圆放置在真空环境中，为了加快内部腔体中气体的排出，还可以适当增加环境中的温度。

进一步地，在对内部腔体进行真空处理之后，需要对通孔进行密封，为了防止密封过程中内部腔体中在此进入气体，本实施例中一种优选的实施例中，可以直接在真空环境中对通孔进行密封。

基于上述任意实施例，一般是采用焊接的形式对于通孔的密封，在本发明的一种具体实施例中，具体可以包括：

向第一晶圆上的通孔中注入熔融状态的焊料，熔融状态的焊料具有一定的粘稠度，能够依附在通孔壁上并封闭通孔。将焊料进行降温处理，例如采用冷却水进行降温，使焊料在通孔内凝固，从而实现通孔的密封。

另外，本发明中还提供了另一种对通孔进行密封的是实施例，请参考图2，图2中为本发明实施例中对通孔密封时的键合晶圆剖面示意图，具体的可以包括：

向第一晶圆1上的通孔3中放入固体状态的焊料4，对焊料进行加热使焊料熔化至熔融状态，熔融状态的焊料4依附在通孔壁上并封闭通孔3，对熔融状态的焊料4进行降温处理，使所述焊料4在通孔3内凝固，则第一晶圆1和第二晶圆2之间的内部腔体5就变成了密封腔体，使得内部腔体5中的芯片处于真空状态。

其次，本发明中还提供了结合如上所述的两种对通孔进行密封的实施方式的实施例，可以将通孔内放入固态的焊料后，沿固态焊料边缘注入熔融状态的焊料，使得固态焊料和液态焊料共同密封通孔后，对熔融状态的焊料进行降温处理。在本实施例中处于熔融状态的焊料相对于如前所述的两种实施例中处于熔融状态的焊料的量更少，能够更快速的完成焊料的凝固，从而提高工作效率。

进一步地，如前所述，对于采用焊接的方式对通孔进行密封时，为了保证焊料能与通孔有效结合，形成高强度高性能的结合层，可以预先对通孔进行金属化处理，即是在通孔的侧壁上镀上金属膜，该金属膜可以是包含多种金属材料的金属膜。

基于上述任意实施例，在对通孔进行密封焊接时，如果通孔的孔径过小，则不利于像通孔中放入焊料，也不利于内部腔体的气体排出；如果通孔的孔径过大，则可能导致熔融状态的焊料对孔壁的附着力小于自身的重力，导致焊料直接流入内部腔体内，使得通孔密封失败。为此在本发明的另一具体实施例中可以包括：

通孔为锥形通孔，锥顶朝下，也可以是类似于锥形的阶梯型通孔；

还可以至锥形孔和圆柱形孔向结合的通孔，锥形孔位于圆柱孔的正上方。

另外，也可以增加孔壁的粗糙程度，从而增大焊料对孔壁的附着力。还有与此类似的方案，在此不一一列举。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的晶圆级键合方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种晶圆级键合方法，其特征在于，包括：

在保护气体氛围中，将具有腔体和通孔的第一晶圆键合到第二晶圆上，获得具有内部腔体的键合晶圆，其中，所述通孔和所述内部腔体相连通，所述保护气体为在所述第一晶圆和所述第二晶圆键合时，不发生化学反应的气体；

通过所述通孔对所述内部腔体进行真空处理，使所述内部腔体内为真空状态；

对所述通孔进行密封。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述通孔对所述内部腔体进行真空处理包括：

将键合晶圆的放置于真空环境中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述通孔进行密封包括：

在真空环境中对所述通孔进行密封。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在真空环境中对所述通孔进行密封包括：

向所述通孔中注入熔融状态的焊料，并对所述焊料进行降温处理，使所述焊料在通孔内凝固。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在真空环境中对所述通孔进行密封包括：

向所述通孔中放入固体状态的焊料，对所述焊料进行加热至熔融状态，对熔融状态的所述焊料进行降温处理，使所述焊料在通孔内凝固。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在真空环境中对所述通孔进行密封包括：

向所述通孔中放入固体状态的焊料后，向所述通孔中注入熔融状态的焊料，对熔融状态的焊料进行降温处理，使所述焊料在通孔内凝固。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，在将具有腔体和通孔的第一晶圆键合到第二晶圆上之前，还包括：

将所述通孔的孔壁进行金属化处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通孔为锥形通孔。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通孔为锥形通孔和柱形通孔相结合的通孔，其中所述锥形通孔孔径较小的一端和所述柱形同孔相连接。

10.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述保护气体为惰性气体或氮气。