半导体晶圆键合是许多技术中的关键工艺步骤，例如工程化衬底（SOI 和腔体 SOI 晶圆）、MEMS（传感器、微流控）、三维集成（器件堆叠）以及晶圆变薄（临时晶圆键合）。几乎所有关于晶圆键合的文献都关注键合在晶圆表面区域的实现方式。然而众所周知，晶圆表面的任何扰动，例如颗粒、划痕、表面粗糙度增加区域或加工产生的台阶，在大多数晶圆键合技术中都会作为不连续点，对键合行为产生负面影响（如空洞生成、密封性下降、键合强度降低）。由于晶圆的几何形状和尺寸固定，它们具有晶圆边缘。晶圆边缘具有特殊性质，同时也充当不连续区。即使在成熟的晶圆键合技术中，实现了接近完美的晶圆面区域键合，晶圆边缘仍存在较小或较宽的未键合区域。在工业生产过程中，这些未键合区域常常导致后续工艺步骤的问题。例如，湿法化学品可能被困在未键合区域，随后释放到其他设备中；晶圆边缘未良好键合部分可能剥落；在研磨过程中，未键合边缘缺乏机械支撑，晶圆可能断裂。未键合区域的产生原因可能来自不同工艺环节，如原始晶圆制造（此阶段晶圆边缘初步定义）、键合前晶圆加工（每个工艺步骤中晶圆边缘都是不连续区，具有特殊效应和不均匀性）、键合过程（键合需要延伸至晶圆边缘）以及晶圆键合后的工艺步骤（键合边缘容易损伤）。关于晶圆键合的晶圆边缘工程已有部分文献，但要么是作为一般性介绍，要么是针对特殊应用（如三维集成）或特定键合方法（如表面活化键合）的解决方案。本文讨论了晶圆边缘效应对直接键合、阳极键合和玻璃粉键合等不同晶圆键合技术的影响，并详细描述了各种对策和改进措施。
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晶圆键合在工程化衬底中的边缘问题
半导体晶圆键合用于加工特殊工程化衬底，如腔体 SOI 晶圆，以实现绝对压力传感器的高效生产。在此过程中，一片晶圆（通过研磨和抛光成为压力传感器膜片）必须与含有蚀刻腔的承载晶圆键合。腔体 SOI 晶圆及实际压力传感器的加工如图 1 所示，详细信息见文献。
图 1. 基于腔体 SOI 晶圆作为工程化衬底的分立型及 CMOS 集成绝对压力传感器的原理工艺流程。
对于分立压力传感器，使用普通晶圆作为膜片即可，但由于边缘滚降（从实际晶圆边缘到晶圆区域的微小过渡），晶圆边缘会产生未键合区域，影响后续工艺（化学品滞留、剥落）。对于 CMOS 集成压力传感器，膜片晶圆必须使用外延生长硅层的晶圆，以保证所需的 CMOS 晶体管栅氧化层质量。外延晶圆通常具有所谓的外延冠（epi crown），即晶圆边缘因外延层生长形成的脊。在外延生长过程中，晶圆边缘作为不连续点，根据外延反应器类型，局部外延沉积速率显著增加，最终形成边缘脊。外延冠的存在会在晶圆边缘形成未键合区域，阻碍晶圆之间形成所需的直接接触，导致键合良率下降，晶圆难以在生产设备上继续加工。外延冠并非晶圆边缘全周存在，导致键合不均匀。无外延冠的边缘区域键合良好，而外延冠较高的区域，未键合区域可达数毫米，对后续工艺至关重要。外延冠在直接键合中的行为如图 2 示意，图 3 为红外透射图及测量数据。
图 2. 外延层晶圆键合中未键合区域示意图，与外延冠（epi crown）现象相关。
图 3. 晶圆边缘未键合区域及外延冠（epi crown）研究的红外图像，显示边缘形状及外延冠高度（如存在）。
为了实现晶圆边缘的完整键合，可以采取多种措施。首先，对于大尺寸晶圆，可以采用特殊的非对称边缘几何设计，以减小边缘滚降。这类具有非对称晶圆边缘的晶圆现已商业化，在原始晶圆加工过程中通过倾斜边缘研磨工具相对于晶圆表面来实现。因此，前表面仅形成非常小的圆角边缘区，而背面由于边缘研磨则形成较大的圆角区（如图 4 所示），这也有助于在晶圆表面后续抛光过程中进一步减少边缘圆角，这是原始晶圆加工的最后步骤。
图 4. 非对称边缘几何示意图示例及后续研究中使用的设计（数值单位：μm）。
通过这种方法，晶圆表面的平整、未扰动区域可以延伸至接近实际晶圆边缘，从而使半导体直接键合能够非常靠近物理晶圆边缘进行，减少未键合边缘区域，如图 5 的横截面分析所示，以及图 6 中研磨后膜片层未键合部分的剥落减少情况所示。
图 5. 键合后不同晶圆边缘轮廓的横截面（左为非对称特殊晶圆边缘，右为标准对称晶圆边缘）。
图 6. 非对称晶圆边缘配置下膜片晶圆边缘剥落减少情况（左）与标准晶圆边缘配置（右）对比——使用光学显微镜观察键合并研磨后的晶圆堆叠顶视图（标尺单位：μm）。
最初开发这种非对称边缘斜角轮廓的晶圆，是为了改善背面研磨工艺，防止晶圆在薄化至 100 μm 或更薄时边缘过尖而脆弱。目前，这类晶圆也已在晶圆键合应用中商业化使用。
另一种提前进行晶圆边缘工程的方法是在直接键合前，通过掩膜和硅蚀刻工艺将晶圆边缘下调，从而在膜片晶圆研磨和抛光后形成非常干净且键合良好的晶圆边缘。蚀刻工艺可以采用湿法化学蚀刻，例如 KOH 蚀刻（如图 7 所示），也可以采用基于等离子体的干法蚀刻，如 DRIE 工艺。
图 7. 通过 KOH 蚀刻降低晶圆边缘区域以改善晶圆边缘键合性能的原理及结果示意。
在蚀刻晶圆时，必须注意不要损伤或粗化实际的晶圆键合面。实际操作中，这意味着掩膜材料必须足够厚实且致密，以防止蚀刻介质接触键合面，并且在去除掩膜材料时要温和操作，不影响键合表面。推荐使用湿法去除光刻胶或硬掩膜的工艺。
图 8. 外延晶圆蚀刻边缘区域的轮廓测量结果，显示需蚀刻 20 μm 深度以将剩余外延冠（epi crown）降低至晶圆键合面以下（图中零水平线）。
该准备工艺既可用于普通晶圆，也可用于外延晶圆，以确保在键合及薄化后膜片或器件晶圆层形成清晰、凹入的边缘。如果蚀刻深度足够，还可以将外延冠残余降至键合面以下（如图 8 所示），从而在外延晶圆键合时实现很高的键合良率。对于普通晶圆，也可以通过边缘下凹获得非常清晰的晶圆边缘，因为晶圆边缘滚降区的键合被主动排除。
图 9. 键合晶圆的红外图像；左侧为带外延冠的外延晶圆键合时的未受控未键合区域，右侧为外延冠较低的外延晶圆键合，产生小而清晰的未键合晶圆边缘区域；图中还包含膜片/器件晶圆研磨和抛光后的横截面图，以显示键合结构的实际边缘。
图 9 对比了未经处理晶圆边缘（带外延冠）与下调晶圆边缘的键合问题，可以清楚地看到，通过蚀刻区域，未键合边缘区得到减少，并且边缘定义清晰且可控。图中横截面进一步证实了晶圆边缘结构清晰，无未键合区域。
图 10. 用于绝对压力传感器的半导体直接键合前的晶圆边缘工程示意图。
图 10 总结了在使用标准晶圆进行半导体直接晶圆键合时，晶圆边缘未键合的一般问题，并对比了键合前晶圆边缘工程的对策。
除了在晶圆键合前进行边缘工程外，已键合晶圆堆叠的边缘也可以通过修整来处理。利用专用研磨工具和砂轮，可以去除工程化衬底中已键合、薄化后的器件或膜片晶圆边缘（如图 11 所示）。在此过程中，虽然可以获得非常清晰的边缘，但需要专用工具，而且研磨存在晶圆风险：器件或膜片晶圆的松动部分可能剥落，损伤晶圆表面；此外，由于新晶圆边缘经过机械加工，可能存在微小损伤，这可能导致这些昂贵衬底破裂，或引发粘附、润湿等后续工艺问题。
图 11. 键合及薄化后晶圆边缘研磨原理——去除器件或膜片晶圆层松动的未键合边缘部分。
因此，考虑到专用边缘研磨工具往往难以获得，对于特殊衬底（如腔体 SOI 晶圆），应优先采用晶圆键合前的边缘工程方案。
晶圆盖板键合中的晶圆边缘问题
在 MEMS 晶圆加工中，使用晶圆键合封装脆弱的机械结构是一个非常重要的工艺步骤。除了机械保护外，这一过程通常还能提供密封性能和定义的气氛，以确保封装元件的功能性。例如，陀螺仪需要真空密封以获得其驱动部分的高 Q 值，这是基于科里奥利力进行感测的必要条件。相比之下，加速度传感器则需要一定的阻尼以实现最佳功能。对于这类传感器，玻璃粉键合被广泛使用，本文后文将讨论该工艺特定的边缘效应。但在具体讨论晶圆盖板键合技术之前，有一些关于盖板晶圆键合的通用问题需要说明（见图 12）。
图 12. 带分立惯性传感器（陀螺仪）的系统晶圆上键合盖板晶圆示例——左侧为未键合与已键合晶圆的细节照片，右侧为示意横截面图。
盖板晶圆键合的一般特性——盖板晶圆键合的最特殊之处在于，参与键合的晶圆通常经过了长时间、复杂的工艺处理。通常，一片晶圆包含了需要封装的结构，如本文所述，该晶圆称为“系统晶圆”。系统晶圆可以包含 MEMS 传感器、微流控结构或光学传感元件，这些结构可以是离散元件，也可以是 CMOS 集成系统。盖板晶圆通常结构较为简单，键合面上通常具有一些腔体，用于在键合过程中形成传感元件所需的气氛，还可能有通孔以便键合后接触金线焊盘，并可选配对电极或附加焊盘。然而，盖板晶圆也可以更加复杂，可能包含硅通孔或用于信号调理的 ASIC。
无论具体结构如何，这些晶圆都经过了大量工艺处理，通常经历 20 至 40 层光刻工艺。结果是晶圆边缘非常不规则。在每一层光刻中，都要进行所谓的边缘涂胶去除（edge bead removal），即去除晶圆边缘多余光刻胶以防污染后续设备。这意味着在晶圆实际边缘向内 1–3 mm 的区域内没有光刻胶，沉积的层被蚀刻，但控制不精确。一方面，边缘涂胶去除在各光刻层中未能完全定义和对齐；另一方面，蚀刻工具本身也存在晶圆边缘效应。图 13 展示了全加工 MEMS-CMOS 晶圆的边缘状况。
图 13. CMOS 工艺系统晶圆边缘的详细研究示意图。
经过多层光刻加工后，晶圆边缘区域明显不规则。外缘的硅层被不规则蚀刻并变得粗糙，存在来自不同工艺层的残留物，相邻区域还可能出现部分芯片结构，这些是由步进曝光和边缘涂胶去除未对齐产生的。显然，通常需要平整、干净和规则表面的晶圆键合技术在此处无法正常工作。即使是对表面质量较为宽容的玻璃粉键合，也难以在这种边缘实现有效键合，因为玻璃粉无法充分接触晶圆表面——在 MEMS 工艺中，晶圆正面释放工艺还会进一步蚀刻并降低边缘硅面——或润湿性不佳，导致无法形成键合。此外，焊接热压或共晶键合等需要沉积和结构化金属键合层的工艺，在这种晶圆边缘也无法实现。
理论上可以在每一工艺层保护和定义晶圆边缘，但实际操作困难极大——在 20 至 40 层工艺中实现这一目标代价过高。工业工艺中边缘涂胶去除是必需的，带有边缘保护环的蚀刻工具有限，湿法工艺仍会侵蚀晶圆边缘。因此，在盖板晶圆键合前主动进行边缘工程几乎不可行，也不合理。然而，由于盖板晶圆键合通常在晶圆加工的末端进行，对晶圆边缘进行修整是一个良好的选择，可以形成新的、规则且键合良好的边缘。这种固定、坚固的盖板晶圆键合堆叠边缘非常重要，主要有三方面原因（见图 14）。
图 14. 与盖板晶圆键合应用中未键合边缘相关的研磨风险（左）和切割风险（右）示意。
晶圆的背面研磨：键合后的晶圆稳定性高，但厚度较大，因此通常需要背面研磨以获得适合现代封装的薄晶圆芯片结构。研磨过程中，晶圆受到高压力作用，未支撑的边缘可能出现裂纹并扩展，导致整片晶圆破裂报废。
在切割过程中，晶圆边缘未键合的部分可能飞出，损坏切割刀片，甚至导致刀片断裂。这会对切割工艺造成足够大的干扰，使得在工业环境中对键合边缘不良的晶圆堆叠进行切割几乎不可能。
并非所有情况下盖板晶圆都能在键合前完成加工。盖板与系统晶圆的接触可以在键合后进行优化（例如通过硅通孔 TSV），或者一些在键合过程中可能受损的敏感层必须在键合后沉积和加工。在这种情况下，保证晶圆边缘已键合并密封非常重要，以防止工艺化学品被困和失控释放。
对于已键合盖板晶圆的边缘修整，一种非常合适的技术是圆切法。在经典的刀片切割过程中，通过切割晶圆堆叠的全厚度，或者仅切割盖板晶圆，即可去除原始晶圆边缘。现代切割设备通常提供圆切选项，可调节切除边缘环的宽度以覆盖整个未键合区域。对于全厚度圆切，关键是切割必须穿过良好键合区域，以确保完整去除未键合的晶圆边缘区域。这种方法的缺点是晶圆直径会缩小几毫米。对于某些后续加工（如切割或研磨）通常没有问题，但如果需要复杂操作（如晶圆探针测试或光刻），新晶圆直径可能不符合半导体标准 M1-1107，从而带来严重问题。在极端情况下，如果晶圆边缘未键合区域过大，切除环过宽，晶圆直径可能缩小至无法放入标准载具，需要使用特殊托盘或盒子，这会增加操作难度，甚至可能导致晶圆无法处理。
图 15. 已键合晶圆堆叠的圆切原理及应用示意。
部分圆切是一种替代方案，仅切割一片晶圆（通常是盖板晶圆），去除其边缘，而另一晶圆保持完整。切割必须在未键合区域进行，以便轻松去除松动的边缘。这种方法可能留下少量未键合区域，因为刀片对准边缘和未键合区域的精度有限（未键合区域通常形状不规则）。同时，刀片也可能损伤第二片晶圆的一小部分，增加晶圆断裂风险。图 15 示意了两种圆切去边缘的原理：全圆切去除两片晶圆边缘，结果最干净；部分圆切仅去除一片晶圆边缘，但保持晶圆标准直径，便于后续操作。两种方法在不同应用中均有意义。
图 16 展示了对带晶圆级封装惯性传感器的晶圆应用全圆切和部分圆切的效果。盖板晶圆采用玻璃粉键合，由于盖板晶圆真实外缘存在未键合区域，切割过程中会产生飞出盖板芯片（见图 14），导致切割刀片断裂，带来严重的技术和经济问题。通过在晶圆键合后进行全圆切，可去除所有潜在松动盖板，新的晶圆边缘不会产生飞出芯片（图 16 左）。在此案例中，晶圆直径从 150 mm 缩小至 136 mm，圆切去除 7 mm，但不影响芯片良率，因为系统晶圆工艺的边缘排除区为 10 mm。从图中可见，新晶圆边缘仍有少量未开焊盘的盲芯片。图 16 右显示了同类晶圆的部分圆切，去除了关键未键合边缘，系统晶圆直径保持不变。
图 16. 盖板晶圆键合惯性传感器晶圆的圆切结果，左侧为全圆切，右侧为部分圆切（系统晶圆仍保持全直径）。
通过部分圆切去除晶圆边缘未键合区域，可以降低切割刀片损伤的风险。相比未进行圆切直接分片切割，减少了飞出硅片的数量，从而减少刀片冲击次数，并允许使用更厚、更稳的切割刀片，而不会切入切割通道（最小化切割区消耗，节约成本）。采用圆切方法，可以建立非常稳定的生产工艺，避免切割问题。
玻璃粉晶圆键合——
到目前为止，本文讨论了晶圆边缘未良好键合的机械方面及其在晶圆工艺中的相关风险和问题。以玻璃粉键合为例，晶圆边缘的影响还可能对晶圆键合过程中的芯片良率产生作用。玻璃粉键合工艺基于低熔点玻璃，通常将其以浆料形式通过丝网印刷印在盖板晶圆上，再经过烧结将浆料转化为玻璃，并通过加热至玻璃润湿温度与系统晶圆键合。冷却后，形成强力且气密的键合。气密性是玻璃粉键合的一大优势，因此得到了深入研究。在相关研究中发现，气密性问题常发生在晶圆边缘，通常位于晶圆的左侧和/或右侧（如图 17 所示），而非晶圆周边。
图 17. 不同芯片尺寸下两种应用中玻璃粉键合后的非气密芯片示意。
详细研究表明，这些靠近晶圆边缘的非气密性问题根源于丝网印刷工艺。在丝网印刷中，晶圆边缘是一个不连续区，同时受到印刷方向的影响。印刷过程中，刮刀将玻璃粉浆料通过结构化网版压印到晶圆上。刮刀沿网版和晶圆线性移动。晶圆中心通常材料充足，因为材料呈连续柔性卷。但在刮刀末端，可能出现浆料不足或未连续通过网版压印的情况，导致键合框架未完全形成或高度不足，无法实现气密键合，因为所需玻璃材料无法填充所有缝隙。因此，需要使用相对于晶圆直径显著较长的刮刀，并保证足够的丝网印刷浆料量，如图 18 所示。
图 18. 丝网印刷：一般原理及与刮刀长度和印刷材料（浆料）量相关的晶圆边缘效应。
然而，即使采取该措施，要将丝网印刷延伸到晶圆边缘仍然非常困难，因为还存在更多关键因素，例如丝网印刷所放置的加工晶圆床平整度或丝网拉伸效应。因此，在玻璃粉键合过程中，保证完美的键合条件非常重要。键合温度必须足够高，以确保系统晶圆被润湿并有一定量玻璃粉流动；键合工具的压力必须足够高，使晶圆边缘也接触到，但又不能过高，以防玻璃粉流动失控。这一优化过程复杂，需要针对具体晶圆布局进行调整。
图 19. 晶圆边缘丝网印刷布局的可选方案。
玻璃粉晶圆键合的另一个特殊方面是玻璃粉键合层厚度约为 10–15 微米。这实际上在未覆盖玻璃粉的区域形成了晶圆间的显著间隙，这在晶圆边缘尤为常见（如图 19 左）。在该间隙中，湿法化学品和冲洗水可能被困住并在后续不受控释放，这始终是设备或容器污染的关键问题。通常，键合框架的芯片结构会延伸至晶圆边缘，并保持与芯片键合框架相同的宽度。晶圆边缘无法形成更宽的结构，否则印刷厚度会超过芯片键合框架，从而导致非气密芯片或切割时盖板飞出。因此，在玻璃粉布局中必须考虑适当的边缘密封。多圈玻璃粉密封环在晶圆边缘被证明是一个良好方案，至少需要 2 圈，更好为 3 圈（图 19 右），以覆盖外缘由于边缘涂胶去除和丝网印刷工艺导致的不受控区域。设计和工艺需要优化，以获得最佳密封效果。
结论
可以得出结论，晶圆边缘是一个不连续区，会在晶圆键合过程中引发问题。如果理解了边缘键合问题，通过适当对策可以高效解决。因此，为建立这些对策，首先必须区分不同的键合应用。对于工程化衬底（如腔体 SOI 晶圆）键合，在键合前进行晶圆边缘工程似乎是最佳方案。采用非对称晶圆边缘轮廓，可实现靠近晶圆边缘的键合。通过蚀刻实现边缘凹入，比键合后进行边缘修整更易操作，并且不会在边缘区域引发机械损伤，该区域是晶圆破裂的关键起始点。对于盖板晶圆键合，建议在键合后处理边缘以去除未键合区域。由于边缘涂胶去除不可避免地损伤晶圆边缘，要实现晶圆边缘的完整键合非常困难甚至不可能。玻璃粉或金属等键合层无法加工到晶圆边缘。对于已键合盖板晶圆堆叠，部分或全圆切是定义键合后晶圆边缘的有效方法。
晶圆键合中的边缘效应讨论并不完整，每种键合工艺和应用都有其特定要求，但对于工业晶圆键合工艺，必须考虑并研究晶圆边缘，以实现安全、稳定的晶圆键合工艺。这对键合过程和键合层布局都很重要。本文讨论的部分内容可为其他晶圆键合应用提供解决思路。
文章名：The Importance of Wafer Edge in Wafer Bonding Technologies and Related Wafer Edge Engineering Methods作者：Roy Knechtel,1,*,z Uwe Schwarz,2 Sophia Dempwolf,2 Holger Klingner,2 Andy Nevin,2 Gunnar Lindemann,2 and Marc Schikowski3单位：
1、Schmalkalden University of Applied Sciences Autonomous Intelligent Sensors, Chair of the Carl-Zeiss-Foundation,
Schmalkalden 98574, Germany
2、X-FAB MEMS Foundry GmbH, D-99097 Erfurt, Haarbergstrasse 67, Germany
3、X-FAB MEMS Foundry Itzehoe GmbH, Fraunhoferstraße 1, 25524 Itzehoe, Germany
