一种带空腔晶片的键合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及带空腔晶片的键合方法依照该方法制造的女口广叩O
【背景技术】
[0002]键合(bonding)是指借助各种化学和物理作用连接两个或多个衬底或晶片(例如玻璃晶片或硅晶片)的过程，主要包括胶粘键合、阳极键合、共晶键合、熔融键合、玻璃浆料键合、金属扩散键合等。随着硅通孔(TSV)、MEMS等3D制造技术的迅速发展，对键合技术及键合质量的要求也愈加详细和严格起来。
[0003]晶片键合(wafer bonding)是微机电系统(MEMS)器件制造中非常重要的技术环节。真空键合(vacuum bonding)是键合技术中的一类重要分支。以近年来发展迅速的压力传感器、振荡器等器件为例，它们共同的特点是都需要在键合后形成一个真空腔体，并且腔体内的真空度对保证器件性能指标有十分重要的作用。
[0004]随着微机械加工技术的飞速发展，出现了一种新型键合技术一硅硅直接键合技术，它是指通过化学和物理的作用将硅片与硅片、氧化层等材料紧密连接在一起形成一个整体的方法。它可将表面加工和体加工有机地结合在一起，在微机械加工中占有重要的地位。它往往与其它手段结合使用，既可形成微结构，对微结构形成支撑和保护，又可实现微机械结构之间或微机械结构和电路之间的电学连接。
[0005]例如，在基于熔融键合原理的腔体器件硅硅键合过程中，首先，进行预先清洗过程。其目的是在经等离子体处理的硅晶片表面形成利于键合的亲水基。预先清洗的最后一步通常为利用卡盘高速旋转产生的离心力(旋转干燥或甩干)，将晶片表面残余的去离子水思干。
[0006]图1示出通过硅硅键合工艺形成的腔体结构的横截面图。从图1可以看出，在键合的两片晶片101和104之间存在大面积的空腔102和具有一定深度的划线槽(scribelane) 103。因此，在预先清洗阶段，仅使用旋转干燥无法完全去除残余在大面积空腔和深沟槽中的去离子水。这不仅影响键合完成后，腔体器件的真空度及键合质量，也因空腔内液体残留，给器件安全留下隐患。
[0007]目前，对于腔体器件的键合工艺，一般采用传统的熔融键合工艺方法，尚未出现有针对性的腔体器件键合专用工艺。
[0008]同样，残余液体去除方法主要依靠旋转干燥来实现。对于深宽比高、面积大的腔体器件，由于在晶片的不同半径上空腔内的残液线速度不同，无法依靠延长旋转时间或提高旋转转速等手段解决。例如，在旋转晶片的中心区域，残留液体的线速度相对较慢，因此在中心区域空腔残留液体相对较多，在对该晶片进行熔融键合时，该区域中的残留液体会产生大片空隙，造成键合失败。
[0009]此外，受晶片键合工艺条件的限制，一般也无法应用异丙醇(IPA)干燥等方法。
[0010]图2示出传统的硅硅键合工艺流程图。
[0011]首先，在步骤201，对要进行键合的两个晶片表面进行预先清洗，其中这两个晶片中的至少一个之上形成有腔体、沟槽等结构。在预先清洗阶段晶片的键合表面上引入去离子水，从而形成有利于键合的亲水基。然后，利用晶片卡盘的高速旋转产生的离心力，将晶片表面的残余水平甩干。
[0012]在步骤202，将两个待键合的晶片对准。
[0013]在步骤203，将对准的两个晶片表面重合在一起。利用晶片表面的氢键进行键合。
[0014]在步骤204，对经键合的两个晶片进行检查。
[0015]在步骤205，对经键合的两个晶片进行高温退火以形成键能更强的硅氧烷键(S1-O-Si)。
[0016]利用传统的硅硅腔体键合工艺进行实验，对实验结果进行分析之后发现:在传统硅硅键合工艺条件下，改变键合力、键合时间和表面处理条件，对键合质量的改善效果非常有限。在晶片中的残留液体产生大片空隙。
[0017]因此，去除预先清洗阶段残留的液体变得愈加重要。
【发明内容】
[0018]本发明的目的是提供一种带空腔晶片键合的方法，该方法有效去除残留在晶片器件结构中的残留液体，提高了腔体器件键合后的真空度及键合质量，同时也减少了腔体器件的安全隐患。
[0019]根据本发明的一个实施例，提供一种晶片的键合方法，包括:
[0020]a)对两个待键合的晶片进行预先清洗以形成有利于键合的亲水基；
[0021]b)将两个待键合的晶片对准；
[0022]c)将对准后的晶片放入键合室，将键合室抽真空并加热以去除晶片表面残留的液体。
[0023]根据本发明的一个实施例，前述方法还包括在步骤a)之前，对待键合的晶片表面进行活化处理。
[0024]根据本发明的一个实施例，在步骤a)通过将去离子水引入键合表面进行预先清洗。
[0025]根据本发明的一个实施例，步骤c)包括以下步骤中的一个或多个步骤:
[0026]Cl)将键合室抽真空并保持一定时间；
[0027]c2)向键合室充入形成气体；
[0028]c3)将键合室加热至在特定温度并保持一定时间；
[0029]c4)再次将键合室抽真空并保持一定时间。
[0030]根据本发明的一个实施例，步骤c)还包括在步骤c4)之后再次向键合室充入形成气体，然后将键合室抽真空并保持一定时间。
[0031]根据本发明的一个实施例，形成气体可以是氮气和氢气的混合气体，充入所述形成气体后所述键合室内的气压至少为800毫巴。
[0032]根据本发明的一个实施例，特定温度在22°C至80°C之间。
[0033]根据本发明的一个实施例，特定温度为60°C。
[0034]根据本发明的一个实施例，前述方法还包括对键合后的晶片进行退火。
[0035]根据本发明的一个实施例，至少一个待键合的晶片表面有空腔结构。
[0036]根据本发明的另一个实施例，提供一种半导体器件，包括通过前述方法制造的键合结构。
[0037]与现有技术相比，本发明的优点包括:
[0038]根据本发明的方法针对腔体器件键合特性，提出在传统熔融键合工艺中利用真空干燥原理，解决了残液造成键合质量差的难题，为实现高质量腔体键合提供了良好基础。同时，该方法无需新增设备，对现有工艺流程变更小，具有成本低、风险小、实施性强等优点。
【附图说明】
[0039]为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其他优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，放大了层和区域的厚度。相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
[0040]图1示出通过晶片键合工艺形成的腔体结构的横截面图。
[0041]图2示出传统的晶片键合工艺流程图。
[0042]图3A-3G示出据本发明的一个实施例的晶片键合的原理图。
[0043]图4示出根据本发明的一个实施例的晶片键合工艺的流程图。
[0044]图5示出水的三相图。
【具体实施方式】
[0045]在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和