晶圓級氣密性的測試結構及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種晶圓級氣密性的測試結構及測試方法，方法包括：鍵合第一、第二晶片，第一晶片中有多個第一類空腔和一第二類空腔；第二類空腔上的第二晶片有凹槽；包圍第一類空腔、第二類空腔的第二晶片和凹槽上均有第一金屬；第一類空腔上的第二晶片中有MEMS裝置；提供有多個第三類空腔和一第四類空腔的第三晶片，包圍第三類空腔、第四類空腔的第三晶片和第四類空腔頂部均有第二金屬；第二晶片上的第一金屬與第三晶片上的第二金屬鍵合形成多個MEMS器件和一測試結構，第四類空腔中的氣壓小于第二類空腔中的氣壓，本發(fā)明通過測試結構中的電容變化反映MEMS器件的密封性，無需將每個MEMS器件從晶片切割下來進行密封性測試，此法操作簡單、效率高、成本低。
【專利說明】晶圓級氣密性的測試結構及測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體制造工藝【技術領域】，尤其涉及一種晶圓級氣密性的測試結構及測試方法。
【背景技術】
[0002]微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)是利用微細加工技術在單塊硅芯片上集成傳感器、執(zhí)行器、處理控制電路的微型系統(tǒng)，其中的處理控制電路使用傳統(tǒng)的微電子制造工藝制成(如CMOS、Bipolar、BICOMS等)。在MEMS的眾多工藝環(huán)節(jié)中，以MEMS的封裝最為引人注目，難度也最大。據(jù)統(tǒng)計，MEMS的封裝成本約占整個MEMS器件成本的50-80%。
[0003]MEMS封裝的目的就是將MEMS裝置和附加IC電路組成一個完成的MEMS系統(tǒng)，完成電互連、功能的實現(xiàn)和保護。由于MEMS裝置中含有一些微小的機械結構，如果使其暴露在惡劣多變的工作環(huán)境下，一方面會 造成微結構的破壞，另一方面由于灰塵、化學溶劑、溫度、濕度、壓力等的不確定性也會造成MEMS器件性能的不穩(wěn)定，甚至失靈。
[0004]如圖1所示，通常封裝采用晶圓級密封，即在晶片(晶片I和2鍵合后再與晶片3鍵合)上直接對需要保護的MEMS裝置A進行密封，也就是只對晶片的局部進行密封，這類密封工藝一般在將MEMS器件B從晶片上切割下來之前、在整個晶片上進行的。此外，對需要保護的MEMS裝置進行密封的方式通常采用固相鍵合技術，如圖2和3所示，把若干具有平面結構的晶片重疊結合在一起，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重疊結合在一起(B、C鍵合)，MEMS裝置A存在與晶片2中，空腔為真空，從而構成MEMS器件。由于MESMS封裝中的不良的密封性對于MEMS器件的可靠性來說起著關鍵的作用，所以，晶片重疊結合在一起的鍵合界面需要氣密性良好。
[0005]但是，現(xiàn)有的鍵合界面氣密性的測量方法，需要將晶片切割成一個個MEMS器件(Die),并逐一對每個MEMS器件進行密封測量以判斷其密封性的好壞。而對每個MEMS器件的鍵合界面進行氣密性的測量方法，一是判斷位于晶片3表面上的鋁凸塊A與位于晶片2表面上的鍺凸塊B是否對準，二是做拉力測試，以測試需要用多大的力量才可以將鋁凸塊A和鍺凸塊B鍵合的界面分開，力量越小，鍵合界面氣密性越差，反之，氣密性越好。這種測量MEMS器件密封的方法費時費力，成本很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種晶圓級氣密性的測試結構及測試方法，使測量MEMS器件氣密性的方法操作簡單、效率高、成本低。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種晶圓級氣密性的測試方法，包括:
[0008]提供鍵合的第一晶片和第二晶片，所述第一晶片中形成有多個第一類空腔和一具有第一氣壓的第二類空腔，多個所述第一類空腔分布在所述第二類空腔的周圍；
[0009]在所述第二類空腔上的第二晶片中形成一凹槽；[0010]在包圍每一所述第一類空腔和包圍所述第二類空腔的第二晶片上以及在所述凹槽的表面均形成第一金屬，其中，所述凹槽上形成的第一金屬與包圍所述第二類空腔而形成在第二晶片上的第一金屬相連；
[0011]在每一所述第一類空腔上的第二晶片中形成一 MEMS裝置；
[0012]提供一第三晶片，所述第三晶片中形成有多個第三類空腔和一第四類空腔，多個所述第三類空腔分布在第四類空腔的周圍，在包圍每一所述第三類空腔和包圍所述第四類空腔的第三晶片上以及在所述第四類空腔的頂部形成第二金屬；
[0013]所述第三晶片與第二晶片鍵合，通過包圍每一所述第一類空腔而形成在第二晶片上的第一金屬與包圍每一所述第三類空腔而形成在第三晶片上的第二金屬鍵合形成每一MEMS器件，通過包圍所述第二類空腔而形成在第二晶片上的第一金屬與包圍所述第四類空腔而形成在第三晶片上的第二金屬鍵合形成一測試結構，其中，所述第四類空腔具有的第二氣壓小于第一氣壓；
[0014]反復檢測所述測試結構中的第四類空腔頂部的第二金屬與凹槽上的第一金屬間的電容，以評估MEMS器件的密封性能。
[0015]進一步的，當所述電容增大時，所述MEMS器件具有緊密的密封性能；當所述電容減小時，所述MEMS器件不具有緊密的密封性能。
[0016]進一步的，所述MEMS器件具有緊密的密封性能時，所述第二氣壓始終小于第一氣壓，所述凹槽對應的第二晶片薄膜沿所述第四類空腔的方向向上彎曲。
[0017]進一步的，當所述MEMS器件不具有緊密的密封性能時，所述第二氣壓逐漸大于等于第一氣壓，所述凹槽對應的第二晶片薄膜沿所述第四類空腔的方向，由向上彎曲逐漸變?yōu)椴粡澢蛳蛳聫澢?br> [0018]優(yōu)選的，所述第一金屬和第二金屬使用的材料不同且分別為鍺或鋁中的一種。
[0019]優(yōu)選的，所述MEMS器件中的第二晶片的厚度為20iim-50iim。
[0020]優(yōu)選的，所述凹槽的厚度為10 u m-20 U m。
[0021]優(yōu)選的，所述第二類空腔和第四類空腔的深度和寬度分別為大于等于30 和大于等于50 u m。
[0022]本發(fā)明為了達到另一目的，還提供一種晶圓級氣密性的測試結構，包括:
[0023]多個MEMS器件和一測試結構，每一所述MEMS器件和所述測試結構由下至上依次均包括鍵合的第一晶片、第二晶片、第三晶片，所述第三晶片上的第二金屬與第二晶片上的第一金屬鍵合，所述第一金屬包圍每一所述MEMS器件中的第一類空腔和包圍所述測試結構中的第二類空腔，所述第二金屬包圍每一所述MEMS器件中的第三類空腔和包圍所述測試結構中的第四類空腔，
[0024]每一所述MEMS器件中的第一晶片具有所述第一類空腔，每一所述MEMS器件中的第二晶片中具有一 MEMS裝置，每一所述MEMS器件中的第三晶片具有所述第三類空腔，
[0025]所述測試結構中的第一晶片中具有所述第二類空腔，所述測試結構中的第二晶片的減薄區(qū)域形成表面具有所述第一金屬的一凹槽，所述測試結構中的第三晶片中形成頂部具有所述第二金屬的所述第四類空腔，
[0026]所述第四類空腔具有的第二氣壓小于所述第二類空腔具有的第一氣壓。
[0027]由上述技術方案可見，本發(fā)明公開的晶圓級氣密性的測試方法，通過反復檢測所述測試結構中的第四類空腔頂部的第二金屬與凹槽上的第一金屬間的電容，以評估MEMS器件的密封性能，如測試結構中的電容增大時，說明測試結構的密封性能良好，所以所述第二氣壓會始終小于第一氣壓，從而使所述凹槽對應的第二晶片薄膜沿所述第四類空腔的方向向上彎曲；如測試結構中的電容減小時，說明測試結構的密封性并不理想，測試結構以外的氣壓會進入第四類空腔，而使所述第二氣壓逐漸大于等于第一氣壓，從而使所述凹槽對應的第二晶片薄膜沿所述第四類空腔的方向，由向上彎曲逐漸變?yōu)椴粡澢蛳蛳聫澢?。由于所述測試結構與MEMS器件是通過同一晶圓級封裝工藝進行封裝的，因此，通過檢測所述測試結構中的電容的大小變化，就可以間接地反映出所述MEMS器件鍵合的密封性能。
[0028]此外，本發(fā)明公開的晶圓級密封性的測量方法，可以通過一測試結構中的電容的大小變化，間接反映出圍繞在所述測試結構周圍的MEMS器件的密封性能，而無需將每個MEMS器件從晶片上切割下來進行密封性測試，因此本發(fā)明的測量方法操作簡單、效率高、成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為現(xiàn)有技術中具有MEMS裝置的晶圓級封裝過程中的局部剖面結構示意圖；
[0030]圖2為現(xiàn)有技術中MEMS器件封裝過程中的剖面結構示意圖；
[0031]圖3為圖2所示的MEMS器件封裝過程中的側視結構示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明一實施例中的晶圓級氣密性的測試方法的流程圖；
[0033]圖5A至5F為本發(fā)明一實施例中的晶圓級密封性的測量方法的側面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0035]在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。
[0036]以圖4所示的流程圖為例，結合圖5A至圖5F，對本發(fā)明提供的一種晶圓級氣密性的測試方法進行詳細說明。
[0037]在步驟I中，參見圖5A，提供一第一晶片10，在所述第一晶片的一表面上形成多個第一類空腔10-1和一第二類空腔10-2，每一所述第一類空腔分布在所述第二類空腔的周圍，將形成有所述第一類空腔和第二類空腔的第一晶片的表面鍵合一第二晶片20，使所述第一晶片的第一類空腔和第二類空腔完全密封，密封的所述第二類空腔具有第一氣壓P1。
[0038]在后續(xù)步驟中，所述第二類空腔與第四類空腔形成的測試結構，需要模擬所述第一類空腔與第三類空腔形成的MEMS器件的結構，所以，所述第一類空腔10-1的深度Hl為大于等于30 u m,所述第二類空腔10-2的深度Hl也為大于等于30 u m,并且所述第二類空腔10-2的寬度Dl為大于等于50 u m。這是因為所述第二類空腔10_2的寬度和深度不能過小，否則，在后續(xù)步驟中，制成的測試結構中的第二類空腔和第四類空腔區(qū)域對應的第二晶片薄膜沒有足夠的空間進行彎曲，無法完成評估測試。
[0039]此外，所述第一晶片和第二晶片通過二氧化硅12進行熔融鍵合，鍵合的所述第二晶片的厚度為20 u m-50 u m,并且所述第一氣壓Pl為大于等于0.1mT (豪托)、小于ATM (大
氣壓)。
[0040]在步驟2中，參見圖5B，將位于所述第二類空腔位置上的第二晶片的厚度減薄至10-20 ym，從而在所述第二晶片的減薄區(qū)域形成一凹槽20-1。所述第二晶片的厚度不能太厚，否則減薄的時間過程，也不能太薄，否則，在后續(xù)步驟中，難以形成MEMS器件，而所述第二晶片減薄后的厚度H3不易太厚或太薄，否則難以彎曲或容易斷裂。
[0041]在步驟3中，參見圖5C，在包圍每一所述第一類空腔10-1和包圍所述第二類空腔
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屬ml，并且所述凹槽20-1上形成的第一金屬ml與包圍所述第二類空腔10-2而形成在第二晶片20上的第一金屬相連。
[0042]在步驟4中，參見圖5D，去掉位于每一所述第一類空腔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裝置20-2。
[0043]在步驟5中，參見圖5E，提供一第三晶片30，所述第三晶片的一表面形成有多個第三類空腔30-1和一第四類空腔30-2，每一所述第三類空腔30-1分布在所述第四類空腔30-2的周圍，然后在包圍每一所述第三類空腔30-1和在包圍所述第四類空腔30-2的第三晶片30上以及在所述第四類空腔30-2的頂部均形成第二金屬m2。
[0044]其中，所述第三晶片30作為后續(xù)制作的MEMS器件的封裝蓋帽使用，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處理信號的CMOS器件30_3，每一所述CMOS器件與包圍一所述第三類空腔30-1而形成在第三晶片30上的第二金屬m2電性連接。
[0045]此外，所述第一金屬ml和第二金屬m2使用的材料可以不同，且分別為鍺金屬或鋁金屬中的一種。
[0046]在步驟6中，參見圖5F，將所述第三晶片通過金屬共晶鍵合到所述第二晶片上，SP通過除所述凹槽20-1之外的第二晶片上的第一金屬與除所述第四類空腔頂部之外的第三晶片上的第二金屬進行鍵合，分別形成了多個MEMS器件A和一測試結構B。
[0047]鍵合的過程為:每一所述MEMS器件A，通過包圍每一所述第一類空腔10_1而形成在第二晶片20上的第一金屬ml與包圍每一所述第三類空腔30-1而形成在第三晶片30上的第二金屬m2鍵合形成，此時，所述第三晶片30的第三類空腔30-1完全密封。所述測試結構B，通過包圍所述第二類空腔10-2而形成在第二晶片20上的第一金屬ml與包圍所述第四類空腔30-2而形成在第三晶片30上的第二金屬m2鍵合形成，此時，使所述第三晶片30的第四類空腔30-2完全密封而具有大于等于0.lmT、小于IOmT的第二氣壓P2，所述第二氣壓P2小于第一氣壓Pl。
[0048]在步驟7中，繼續(xù)參見圖5F，反復檢測所述測試結構B中的第四類空腔30_2頂部的第二金屬m2與凹槽20-1上的第一金屬ml之間的電容C，以評估MEMS器件A的密封性能，參見下表(一):
[0049]
【權利要求】
1.一種晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于，包括: 提供鍵合的第一晶片和第二晶片，所述第一晶片中形成有多個第一類空腔和一具有第一氣壓的第二類空腔，多個所述第一類空腔分布在所述第二類空腔的周圍； 在所述第二類空腔上的第二晶片中形成一凹槽； 在包圍每一所述第一類空腔和包圍所述第二類空腔的第二晶片上以及在所述凹槽的表面均形成第一金屬，其中，所述凹槽上形成的第一金屬與包圍所述第二類空腔而形成在第二晶片上的第一金屬相連； 在每一所述第一類空腔上的第二晶片中形成一 MEMS裝置； 提供一第三晶片，所述第三晶片中形成有多個第三類空腔和一第四類空腔，多個所述第三類空腔分布在第四類空腔的周圍，在包圍每一所述第三類空腔和包圍所述第四類空腔的第三晶片上以及在所述第四類空腔的頂部形成第二金屬； 所述第三晶片與第二晶片鍵合，通過包圍每一所述第一類空腔而形成在第二晶片上的第一金屬與包圍每一所述第三類空腔而形成在第三晶片上的第二金屬鍵合形成每一 MEMS器件，通過包圍所述第二類空腔而形成在第二晶片上的第一金屬與包圍所述第四類空腔而形成在第三晶片上的第二金屬鍵合形成一測試結構，其中，所述第四類空腔具有的第二氣壓小于第一氣壓； 反復檢測所述測試結構中的第四類空腔頂部的第二金屬與凹槽上的第一金屬間的電容，以評估MEMS器件的密封性能。
2.如權利要求1所述的晶圓級氣密.性的測試方法，其特征在于:當所述電容增大時，所述MEMS器件具有緊密的密封性能；當所述電容減小時，所述MEMS器件不具有緊密的密封性倉泛。
3.如權利要求2所述的晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于:所述MEMS器件具有緊密的密封性能時，所述第二氣壓始終小于第一氣壓，所述凹槽對應的第二晶片薄膜沿所述第四類空腔的方向向上彎曲。
4.如權利要求2所述的晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于:當所述MEMS器件不具有緊密的密封性能時，所述第二氣壓逐漸大于等于第一氣壓，所述凹槽對應的第二晶片薄膜沿所述第四類空腔的方向，由向上彎曲逐漸變?yōu)椴粡澢蛳蛳聫澢?br> 5.如權利要求1所述的晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于:所述第一金屬和第二金屬使用的材料不同且分別為鍺或鋁中的一種。
6.如權利要求1所述的晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于:所述MEMS器件中的第二晶片的厚度為20iim-50iim。
7.如權利要求1所述的晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于:所述凹槽的厚度為10 u m-20 u m。
8.如權利要求1所述的晶圓級氣密性的測試方法，其特征在于:所述第二類空腔和第四類空腔的深度和寬度分別為大于等于30 y m和大于等于50 u m。
9.一種利用權利要求1-8所述的晶圓級氣密性的測試方法形成的晶圓級氣密性的測試結構，其特征在于，包括: 多個MEMS器件和一測試結構，每一所述MEMS器件和所述測試結構由下至上依次均包括鍵合的第一晶片、第二晶片、第三晶片，所述第三晶片上的第二金屬與第二晶片上的第一金屬鍵合，所述第一金屬包圍每一所述MEMS器件中的第一類空腔和包圍所述測試結構中的第二類空腔，所述第二金屬包圍每一所述MEMS器件中的第三類空腔和包圍所述測試結構中的第四類空腔， 每一所述MEMS器件中的第一晶片具有所述第一類空腔，每一所述MEMS器件中的第二晶片中具有一 MEMS裝置，每一所述MEMS器件中的第三晶片具有所述第三類空腔， 所述測試結構中的第一晶片中具有所述第二類空腔，所述測試結構中的第二晶片的減薄區(qū)域形成表面具有所述第一金屬的一凹槽，所述測試結構中的第三晶片中形成頂部具有所述第二金屬的所述第四類空腔， 所述第四類空腔具有的第 二氣壓小于所述第二類空腔具有的第一氣壓。
【文檔編號】B81B7/00GK103434998SQ201310386263
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權日:2013年8月29日
【發(fā)明者】劉瑋蓀 申請人:上海宏力半導體制造有限公司