CN110349847B - 一种通过键合材料进行键合的方法和键合结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种通过键合材料进行键合的方法和键合结构，该方法包括：在第一基板的主面和/或第二基板的主面形成位于键合区域的外周的凹部；在所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面的所述键合区域形成键合材料；以及向所述第一基板和所述第二基板施加压力，使所述第一基板的主面和所述第二基板的主面通过由所述键合材料形成的键合层而键合。根据本申请，在键合区域外周形成凹部，用于容纳从键合区域溢流出的键合材料，从而避免键合材料从键合的基板边缘溢出。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种通过键合材料进行键合的方法和键合结构。
背景技术
在半导体器件的制造过程中，为了实现器件的小型化、多功能化、高性能化，常常需要把两个基板键合起来。特别是具有可动微结构的微机电系统(MEMS)器件，为了防止可动微结构的损伤，或者维持其环境气体压力稳定来保障器件功能的稳定，常常需要将微结构进行气密性封装，而且，这种封装的气密性需要长时间的稳定性。比如MEMS加速度传感器、陀螺仪以及压力计等器件，对封装的气密性有很高的要求。这种气密性封装常用基板键合技术来实现。
在各种基板键合技术之中，共晶键合可以实现较高的气密度和较好的气密度稳定性。同时，共晶键合往往具有键合温度较低、键合强度大的特点。比如，专利文献WO2006/101769提供了一个用AlGe共晶键合将MEMS器件和互补金属氧化物半导体(CMOS)基板键合密封的技术。该技术提供的铝(Al)和锗(Ge)的共晶键合不仅温度低(约450℃)，而且材料也与CMOS工艺兼容。同时，AlGe共晶还具有较好的导电性从而可以实现键合基板间的电连接。在AlGe共晶键合中，一般先在两基板上分别形成Al或Ge的单层薄膜、或形成Al和Ge交替叠加的多层膜、再把薄膜加工成所设计的图形。然后把两个基板对准，加热到略高于AlGe共晶熔点(约424℃)的温度，比如450℃。同时，在两基板间加上一定的压力，使两基板紧密接触。虽然这时的基板温度远远低于纯Ge的熔点938℃或纯Al的熔点660℃，但是由于温度超过了AlGe的共晶熔点，Al和Ge就会在二者的表面处液化并互相扩散。互相扩散后，再把温度降到AlGe共晶熔点以下时，二者就会形成稳定的固态共晶。如上所述，共晶键合时要经过一个共晶材料的液化过程。
用胶作为键合层的胶键合也是基板键合的重要手段。同共晶键合一样，胶键合能够实现基板的结合和器件的密封。与直接键合的方式相比，胶键合与共晶键合一样都具有对基板表面平坦度、平滑度、划伤、附着颗粒不敏感的优势。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
在共晶键合和胶键合等通过键合层而进行基板键合的技术中，键合层会在键合过程中流动到基板边缘外部，使后续对基板的操作变得困难，这种溢流有时还会污染机械，甚至使基板粘合到机械上，造成机械故障，影响生产。例如，融化的共晶材料在键合压力作用下会在键合表面产生流动，导致共晶材料溢流到基板边缘外部；或者，胶键合的胶也会在键合过程中流动，并从基板边缘溢出。
为了避免上述溢流的影响，可以考虑减少键合层的厚度、降低键合层的流动性、减小键合时的基板温度和压力。但是，这些做法有可能导致键合强度变低、和/或在键合界面产生空洞等不良状态，降低键合质量。
本申请提供一种通过键合材料进行键合的方法和键合结构，在键合区域外周形成凹部，用于容纳从键合区域溢流出的键合材料，从而避免键合材料从键合的基板边缘溢出。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种通过键合材料进行键合的方法，包括：
在第一基板的主面和/或第二基板的主面形成位于键合区域的外周的凹部；在所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面的所述键合区域形成键合材料；以及向所述第一基板和所述第二基板施加压力，使所述第一基板的主面和所述第二基板的主面通过由所述键合材料形成的键合层而键合。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述凹部构成为环绕所述键合区域的闭合的环状。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述凹部形成在所述键合区域的外边缘与所述第一基板和/或所述第二基板的边缘之间。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述凹部的底面是由平面和/或曲面构成的图形。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述键合材料包含具有粘合性能的物质。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述具有粘合性能的物质是胶。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述键合层为两种以上物质的共晶材料。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，该共晶材料是铝(Al)和锗(Ge)、或金(Au)和锗(Ge)、或金(Au)和锡(Sn)、或金(Au)和硅(Si)、或金(Au)和铟(In)的共晶材料。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种键合结构，包括：第一基板，第二基板和键合层，其中，所述第一基板的主面和所述第二基板的主面通过所述键合层键合，所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面形成有位于键合区域的外周的凹部。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述凹部构成为环绕所述键合区域的闭合的环状。
本申请的有益效果在于：在保证键合质量的情况下，避免键合材料从键合的基板边缘溢出。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本申请实施例1的通过键合材料进行键合的方法的一个示意图；
图2是本申请实施例2的通过键合材料进行键合的方法的一个示意图。
具体实施方式
参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
实施例1
本申请实施例1提供一种通过键合材料进行键合的方法。本实施例的方法可以包括如下步骤：
步骤101、在第一基板的主面和/或第二基板的主面形成位于键合区域的外周的凹部；
步骤102、在所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面的所述键合区域形成键合材料；
步骤103、向所述第一基板和所述第二基板施加压力，使所述第一基板的主面和所述第二基板的主面通过由所述键合材料形成的键合层而键合。
根据本实施例的上述步骤101、步骤102以及步骤103，在键合过程中，流动的键合层可以被键合区域的外周的凹部所容纳，由此，能够避免流动的键合层溢流到基板的外缘。
图1是本实施例的通过键合材料进行键合的方法的一个示意图。下面，结合图1，对本实施例的键合的方法进行详细说明。
如图1的a)所示，首先进行键合基板的准备。在本实施例中，第一基板1和第二基板2是两个键合基板，第一基板1的第一主面1a和第二基板2的第一主面2a是需要键合的基板表面。
第一基板1和第二基板2在材质、构造等方面可以相同，也可以完全不同。第一基板1和第二基板2可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅Silicon-On-Insulator，SOI晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓Gallium Nitride，GaN晶圆、SiC晶圆等，也可以是石英、蓝宝石等绝缘性晶圆。另外，第一基板1和第二基板2的表面上可以进一步具有半导体器件、MEMS器件所需的各种薄膜以及各种构造。本实施例对此并不限制。一个特例是，第二基板2是硅基板，其表面上具有微细构造。
如图1的a)所示，将第二基板2的周边减薄，以形成凹部。需要说明的是，在图1中，凹部仅形成在第二基板2的主面，本实施例不限于此，凹部也可以仅形成在第一基板1的主面，或者第二基板2的主面和第一基板1的主面都形成有凹部。
在本实施例中，形成凹部的方法可以是：在与键合表面2a(第二基板的第一主面)垂直的方向，将第二基板2的周边减薄，形成凹部3。如图1的b)所示，减薄形成的凹部3呈闭合的环状，凹部3在径向上从第二基板2的边缘开始向第二基板2的中心延伸，例如，凹部3可以形成在键合区域的外边缘与第二基板2的边缘之间的区域中，其中，键合区域是需要被键合层覆盖的区域。凹部3的从第二基板2的边缘开始向第二基板2的中心延伸的(径向)方向宽度为W，凹部3的底部在第二基板2的第一主面2a的法线方向距离第一主面2a的高度为H，W和H可以根据图1的e)所示的键合层的溢流部分的控制的需要而设计。在周向的不同位置，宽度W可以是固定的，也可以是变化的。从第二基板2的边缘开始向第二基板2的中心延伸时，凹部3的高度H可以是固定的，也可以是变化的，即，凹部3的底面可以是与第一主面2a平行的平面，或者是与第一主面2a呈一定角度的斜面，或者是曲面，或者是平面与曲面组合的面。一个特例是，凹部3的底面是与第一主面2a平行的平面，并且，W约为3毫米，H约为50微米。凹部3可以用硅基板的各种加工方式实现。凹部3的加工的方法，比如是用等离子气体进行的反应离子束刻蚀(RIE)、也可以是用腐蚀溶液进行的湿法腐蚀、也可以是用研磨或切削进行的机械加工。
下一步，如图1的c)所示，在第二基板2的键合表面2a上形成键合材料4。键合材料4可以只在第二基板2的键合表面2a上形成，也可以只在第一基板1的键合表面(第一主面)1a上形成，也可以在键合表面1a和键合表面2a上都形成。键合材料4的材料和厚度可以根据键合需要选定。比如，键合材料4是具有粘合性能的物质，一个特例是胶。作为更为具体的特例，键合材料4可以包含苯并环丁烯(BCB：benzo-cyclo-butene)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(polyimide)、环氧树脂(epoxy)胶和树脂(resin)胶等其中至少一种物质。键合材料4可以用旋涂方式形成，也可以用包括转印的印刷方式形成。键合材料4不在凹部3的内部形成。当第二基板2的键合表面2a包含微细结构时，键合材料4也不在微细结构的凹部形成。比如，第二基板2的键合表面2a用四方形T围住的部分包含图1的d)所示的微细结构，微细结构的凹部2b的内部不形成键合层，键合层4只在键合表面相对凸起的2a的部分形成。
下一步，如图1的e)所示，通过键合材料4将第一基板1的键合表面1a和第二基板2的键合表面2a键合。键合时，为了得到希望的键合质量，可以对键合基板施加预定的压力和温度。在这个键合过程中键合材料4会产生流动，向基板周围溢出。由于在第二基板2的键合表面2a的周围形成了环状凹部3，键合后，在第一基板1和第二基板2的键合界面的周边形成环状空隙5。键合材料4的溢流部分4a就会滞留在环状空隙5之内，而不会流到基板周边外部。键合完成后，第一基板1和第二基板2通过由键合材料4形成的键合层而键合。
如上所述，在本实施例中，因为在键合基板的周边形成了一个环状凹部，键合时，从基板内部溢流出来的胶状物质就会停留在这个空隙之内而不溢流到基板边缘外部。这样，键合时就不必过于考虑向基板周边的溢流的影响，就可以选择使需要键合部分达到最佳键合状态的键合条件。同时，因为避免了传统工艺中的溢流问题，可以避免因为溢流引起的基板破损和机械故障，从而提高生产效率。
实施例2
本申请实施例2提供另一种键合方法。本实施例中与实施例1相类似的部分不再详述。
图2是本实施例的键合方法的一个示意图。
如图2的a)所示，首先进行键合基板的准备。在本实施例中，第一基板1和第二基板2是两个键合基板，第一基板1的第一主面1a和第二基板2的第一主面2a是需要键合的基板表面。第一基板1和第二基板2在材质、构造等方面可以相同，也可以完全不同。一个特例是，第一基板1和第二基板2是硅基板，至少其中之一的表面上具有微细构造。
如图2的a)所示，将第一基板1和第二基板2的周边减薄。具体来讲，就是在垂直于键合表面1a的方向，将第一基板1的周边减薄，形成凹部3-1。在垂直于键合表面2a的方向，将第二基板2的周边减薄，形成凹部3-2。如图1的b)所示，减薄形成的凹部3(包括凹部3-1和3-2)呈环状，从基板的边缘开始向基板的中心延伸。凹部3-1和凹部3-2的宽度W和高度H可以大约相同，也可以不同。凹部3的宽度W和高度H可以根据图2的c)所示的键合层的溢流部分的控制的需要而设计。凹部3的加工方式可以与图1的a)相同。
下一步，如图2的b)所示，分别在第一基板1的键合表面1a上形成键合材料4-1，在第二基板2的键合表面2a上形成键合材料4-2。键合材料4-1和4-2的材料和厚度可以根据键合需要选定。比如，键合材料4-1和4-2分别是可以形成共晶状态的固体物质的其中之一。比如，可形成共晶状态的固体物质对是铝(Al)和锗(Ge)、或金(Au)和锗(Ge)、或金(Au)和锡(Sn)、或金(Au)和硅(Si)、或金(Au)和铟(In)。一个特例是，键合材料4-1和4-2分别是Al和Ge。键合材料4-1可以通过金属薄膜的成膜方式形成在第一基板1的键合表面1a上，然后通过金属刻蚀形成最终需要的图形。键合材料4-2可以通过同样方式形成。另外，键合材料4-1和4-2的其中之一也可以是没有构造的连续薄膜。
下一步，如图2的c)所示，通过键合层4-1和4-2的共晶键合得到共晶状态的键合层4，将第一基板1的键合表面1a和第二基板2的键合表面2a键合。共晶键合时，在升温、加压形成共晶时，键合层4会经过流动状态。这时，键合层4会产生流动，向基板周围溢出。由于在第一基板1和第二基板2的周围分别形成了环状凹部3-1和3-2，键合后，在第一基板1和第二基板2的键合界面的周边形成环状空隙5。键合层4的溢流部分4a就会滞留在环状空隙5之内，而不会流到基板周边外部。
如上所述，在本实施例中，因为在键合基板的周边形成了一个环状凹部，键合时，从基板内部溢流出来的共晶物质就会停留在这个空隙之内而不溢流到基板边缘外部。这样，键合时就不必过于考虑向基板周边的溢流的影响，就可以选择使需要键合部分达到最佳键合状态的键合条件。同时，因为避免了传统工艺中的溢流问题，可以避免因为溢流引起的基板破损和机械故障，从而提高生产效率。
以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。
Claims (10)
1.一种通过键合材料进行键合的方法,包括:
在第一基板的主面和/或第二基板的主面形成位于键合区域的外周的凹部，其中，从所述第一基板或所述第二基板的边缘开始向所述第一基板或所述第二基板的中心延伸时，所述凹部的高度变化，在所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面的周向的不同位置，所述凹部的宽度是变化的；
在所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面的所述键合区域形成键合材料；以及
向所述第一基板和所述第二基板施加压力，使所述第一基板的主面和所述第二基板的主面通过由所述键合材料形成的键合层而键合，
其中，所述键合层形成于所述第一基板或所述第二基板中的微细结构的凹部外部。
2.如权利要求1所述的方法，其中,
所述凹部构成为环绕所述键合区域的闭合的环状。
3.如权利要求1所述的方法，其中,
所述凹部形成在所述键合区域的外边缘与所述第一基板和/或所述第二基板的边缘之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中,
所述凹部的底面是由平面和/或曲面构成的图形。
5.如权利要求1所述的方法，其中,
所述键合材料包含具有粘合性能的物质。
6.如权利要求5所述的方法，其中,
所述具有粘合性能的物质是胶。
7.如权利要求1所述的方法，其中,
所述键合层为两种以上物质的共晶材料。
8.如权利要求7所述的方法，其中,
该共晶材料是铝(Al)和锗(Ge)、或金(Au)和锗(Ge)、或金(Au)和锡(Sn)、或金(Au)和硅(Si)、或金(Au)和铟(In)的共晶材料。
9.一种键合结构，包括：
第一基板，第二基板和键合层，
其中，所述第一基板的主面和所述第二基板的主面通过所述键合层键合，
所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面形成有位于键合区域的外周的凹部，
其中，从所述第一基板或所述第二基板的边缘开始向所述第一基板或所述第二基板的中心延伸时，所述凹部的高度变化，在所述第一基板的主面和/或所述第二基板的主面的周向的不同位置，所述凹部的宽度是变化的，
所述键合层形成于所述第一基板或所述第二基板中的微细结构的凹部外部。
10.如权利要求9所述的键合结构，其中，
所述凹部构成为环绕所述键合区域的闭合的环状。
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