一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法技术

本发明专利技术属于MEMS工艺技术领域，具体为一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，将蓝宝石芯片A与具有凹腔的蓝宝石芯片B采用键合形成蓝宝石压力敏感结构。蓝宝石芯片A与具有凹腔的蓝宝石芯片B通过直接键合,不需要中间键合层。蓝宝石芯片A与具有凹腔的蓝宝石芯片B键合形成的真空腔,可以减少高温下若压力敏感结构封装一定气体时对压力检测的影响。光纤只起传输光信号作用,不参与形成法布里

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法


[0001]本专利技术属于MEMS工艺
，具体为一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法。

技术介绍

[0002]传统的半导体压力传感器的工作温度一般在600℃以下，其中SiC压阻式压力传感器的最高工作温度600℃，SOI压力传感器的最高工作温度在500℃以下，硅
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蓝宝石压力传感器的最高工作温度350℃。电学式压力传感器难以应用于更高的温度环境中。
[0003]目前，国外出现了基于蓝宝石芯片的光纤压力传感器产品，如英国Oxsensis公司的Wave
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Phire DPT950型光纤压力传感器，最高工作温度可达到600℃，探头前端可达到1000℃。而国内还未报道基于蓝宝石芯片的光纤压力传感器的研究成果。中国专利文献CN103234673公开了一种耐高温的压力传感器微纳结构，其包括：碳化硅膜片、反射膜、半反射膜、键合层、碳化硅基板、封装层和蓝宝石光纤；反射膜镀在碳化硅膜片中部，半反射膜镀在蓝宝石光纤末端，键合层（二氧化硅）位于碳化硅膜片与碳化硅基板之间，蓝宝石光纤通过封装层（高温陶瓷胶）与碳化硅基板连接。上述压力传感器的制备工艺是采用镀在碳化硅膜片上的反射膜与镀在蓝宝石光纤末端上的半反射膜形成法布里
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帕罗干涉腔，实现高温环境下的压力检测。
[0004]目前，国内的蓝宝石晶片（晶圆级）直接键合工艺还处于理论研究阶段，至今还没有成熟的蓝宝石晶圆（晶圆级）的直接键合工艺技术。而国内在晶圆级键合方面通常是针对硅基材料，键合温度在500℃以下，例如硅
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硅键合、硅
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玻璃阳极键合等。中国专利文献CN 105236350 A公开了一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，仅仅研究了温度在1350℃，键合过程中无加压（压力）控制，无温度和压力的耦合控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有工艺难以实现蓝宝石压力敏感结构中蓝宝石晶圆的直接键合以及制备得到的压力传感器的工作温度较低的问题，而提供一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法。
[0006]本专利技术是采用如下的技术方案实现的：一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，包括以下步骤：1）、采用机械切割或激光切割对蓝宝石晶圆A进行预划片，得到预划片的蓝宝石晶圆A；2）、将蓝宝石晶圆B刻蚀出凹腔，然后采用机械切割或激光切割对蓝宝石晶圆B进行预划片，得到刻蚀、预划片的蓝宝石晶圆B；3）、将预划片的蓝宝石晶圆A和刻蚀、预划片的的蓝宝石晶圆B依次经过RCA清洗和去离子水超声清洗，然后经浓磷酸溶液腐蚀处理后置于浓度为0.5～1mol/L稀硫酸中形成羟基层，用去离子水冲洗后得到亲水预处理后的蓝宝石晶圆A和蓝宝石晶圆B；
4）、将亲水预处理后的蓝宝石晶圆A和蓝宝石晶圆B对准堆叠放置，放入键合机中进行预键合，得到预键合的蓝宝石晶圆；5）、将预键合的蓝宝石晶圆置于夹具中固定，然后放置在键合设备的真空腔加热室下加压平台件上，操作键合设备的上加压平台件往下移动，接触到夹具的顶端，预加载压力，使夹具和预键合的蓝宝石晶圆充分接触；同时设置温度曲线和压力曲线，温度曲线和压力曲线同时相互结合进行，互相耦合进行高温键合，得到键合后的蓝宝石晶圆；6）、将键合后的蓝宝石晶圆放入键合设备中再以1150℃～1250℃的温度进行退火处理，得到退火后的蓝宝石晶圆；7）、按照步骤1）、2）预划片的图形将退火后的蓝宝石晶圆切割成芯片，蓝宝石晶圆A切割成蓝宝石芯片A，蓝宝石晶圆B切割成蓝宝石芯片B，在蓝宝石芯片A与蓝宝石芯片B之间形成真空腔，得到蓝宝石压力敏感结构。
[0007]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，步骤1）预划片切割的图形为轴对称图形或中心对称图形。
[0008]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，步骤1）预划片切割的图形为圆形、椭圆形、正方形或矩形。
[0009]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，步骤2）采用干法或湿法刻蚀出凹腔。
[0010]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，步骤2）所述的凹腔的深度为1μm～300μm,凹腔的直径为1
㎜
～10
㎜
。
[0011]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，步骤5）所述夹具的夹具衬底件、加压垫块件和夹具护管件采用刚玉,在夹具衬底件的上表面放置预键合好的蓝宝石晶圆,在预键合的蓝宝石晶圆上放置多个加压垫块件, 夹具护管件外置在外侧，起保护蓝宝石晶圆、加压垫块件、夹具衬底件的作用。
[0012]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，步骤5）蓝宝石晶圆键合设备采用钨网加热器件、上下反射屏结构件和左右反射屏结构件，钨网加热器件对真空腔室加热室内部真空空间进行加热，真空腔室保证设备的真空环境，上下反射屏结构件、左右反射屏结构件在加热室内围成一个反射热量区域，让钨网加热器产生的热量不要外漏，确保温度场的温度。
[0013]上述的一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，还可对经预键合的单片蓝宝石芯片直接键合，单片蓝宝石芯片放置在单个工装夹具宝石基座件上，宝石基座件由宝石定位基座件分隔开放置在夹具衬底件上，单片蓝宝石芯片上部放置单个工装夹具加压垫块件，外围再套上单个工装夹具护管件。
[0014]本专利技术蓝宝石晶圆级直接键合工艺方法，针对双抛蓝宝石晶圆的粗糙度、总体厚度偏差、局部厚度偏差、翘曲度、弯曲度等参数均较大而难以实现直接键合（不使用粘合剂或者中间材料层），而采用预划片的方式消除两片蓝宝石晶圆之间的微小间隙，提升键合成功率。在完成蓝宝石晶圆键合之后，再按照预划片的图形进行切割划片。
[0015]蓝宝石的熔点超过2000℃，并且具有极佳的抗腐蚀特性，所以成为了高温和恶劣环境传感器方面的理想材料。本专利技术提出的一种蓝宝石晶圆级直接键合工艺方法，利用键合设备实现了蓝宝石晶圆的直接键合以及蓝宝石芯片的直接键合。由于得到的蓝宝石压力
敏感结构中不使用粘合剂或者中间材料层，完全是单晶蓝宝石材料，因此基于蓝宝石压力敏感结构的压力传感器能够工作在恶劣、高温环境中，工作温度可达到1800℃。
附图说明
[0016]图1为高温夹具的结构示意图。
[0017]图2为实施方式一中蓝宝石晶圆A 3
‑
1的预制图形。
[0018]图3为实施方式一中蓝宝石晶圆B 3
‑
2的预制图形。
[0019]图4为蓝宝石压力敏感结构的结构示意图。
[0020]图5为实施例一步骤5中所述键合设备中真空腔室结构示意图。
[0021]图6 为实施例二对单片蓝宝石压力敏感芯片直接键合的单个工装夹具结构示意图。
[0022]图中：1
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加压垫块件，2
‑
夹具护管件，3
‑
蓝宝石晶圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石压力敏感结构的蓝宝石晶圆直接键合方法，其特征在于：包括以下步骤：1）、采用机械切割或激光切割对蓝宝石晶圆A（3
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1）进行预划片，得到预划片的蓝宝石晶圆A（3
‑
1）；2）、将蓝宝石晶圆B（3
‑
2）刻蚀出凹腔，然后采用机械切割或激光切割对蓝宝石晶圆B（3
‑
2）进行预划片，得到刻蚀、预划片的蓝宝石晶圆B（3
‑
2）；3）、将预划片的蓝宝石晶圆A（3
‑
1）和刻蚀、预划片的的蓝宝石晶圆B（3
‑
2）依次经过RCA清洗和去离子水超声清洗，然后经浓磷酸溶液腐蚀处理后置于浓度为0.5～1mol/L稀硫酸中形成羟基层，用去离子水冲洗后得到亲水预处理后的蓝宝石晶圆A（3
‑
1）和蓝宝石晶圆B（3
‑
2）；4）、将亲水预处理后的蓝宝石晶圆A（3
‑
1）和蓝宝石晶圆B（3
‑
2）对准堆叠放置，放入键合机中进行预键合，得到预键合的蓝宝石晶圆（3）；5）、将预键合的蓝宝石晶圆（3）置于夹具中固定，然后放置在键合设备的真空腔室（11）加热室下加压平台件（13）上，操作键合设备的上加压平台件（16）往下移动，接触到夹具的顶端，预加载压力，使夹具和预键合的蓝宝石晶圆（3）充分接触；同时设置温度曲线和压力曲线，温度曲线和压力曲线同时相互结合进行，互相耦合进行高温键合，得到键合后的蓝宝石晶圆（3）；6）、将键合后的蓝宝石晶圆（3）放入键合设备中再以1150℃～1250℃的温度进行退火处理，得到退火后的蓝宝石晶圆（3）；7）、按照步骤1）、2）预划片的图形将退火后的蓝宝石晶圆（3）切割成芯片，蓝宝石晶圆A切割成蓝宝石芯片A（8
‑
1），蓝宝石晶圆B切割成蓝宝石芯片B（8
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2），在蓝宝石芯片A（8
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1）与蓝宝石芯片B（8
‑
2）之间形成真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：李安华，暴翔，王玉亮，杨晓东，李少飞，
申请(专利权)人：西北电子装备技术研究所中国电子科技集团公司第二研究所，
类型：发明
国别省市：