CN105236350A - 一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法 - Google Patents
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Abstract
一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，本发明属于MEMS工艺技术领域，它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片的直接键合，以及制备得到的压力传感器的工作温度较低的问题。直接键合方法：一、对一片蓝宝石晶片刻蚀出凹腔，然后进行预划片；二、两片蓝宝石晶片置于稀硫酸中形成羟基层；三、两片蓝宝石晶片对准叠放进行预键合；四、对预键合的蓝宝石晶片在1150～1350℃的温度下持续加热进行高温键合；五、退火处理；六、切割成芯片。本发明在直接键合时采用热辐射和加热台两种加热方式，并通过预划片的方式提升键合成功率，该蓝宝石压力敏感芯片的结构中不使用粘合剂或者中间层，工作温度可达到1500℃左右。
Description
技术领域
本发明属于MEMS工艺技术领域，具体涉及一种蓝宝石晶片(圆片级)的直接键合方法。
背景技术
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-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。
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-PhireDPT950型光纤压力传感器，最高工作温度可达到600℃，探头最前端可达到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－珀罗干涉腔，实现高温环境下的压力检测。
目前，国内的蓝宝石晶片(圆片级)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片(圆片级)直接键合工艺技术。而国内在圆片级键合方面通常是针对硅基材料，例如，硅-硅键合、硅-玻璃阳极键合等。
发明内容
本发明的目的是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片的直接键合，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芯片的直接键合方法。
本发明蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法按以下步骤实现：
一、将蓝宝石晶片B刻蚀出凹腔，然后采用机械切割或激光切割对蓝宝石晶片B进行预划片，得到刻蚀的蓝宝石晶片B；
二、将蓝宝石晶片A和刻蚀的蓝宝石晶片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片A和蓝宝石晶片B；
三、将亲水预处理后的蓝宝石晶片A和蓝宝石晶片B对准叠放，放入键合机中进行预键合，得到预键合的蓝宝石晶片；
四、把预键合的蓝宝石晶片置于高温夹具中固定，然后放置在直接键合装置的真空室中，在真空室的内壁上设置有辐射屏，在真空室底板的上表面设置有加热台，装夹有预键合的蓝宝石晶片的高温夹具置于加热台上，在1150～1350℃的温度下持续加热40～60小时进行高温键合，得到键合后的蓝宝石晶片；
五、将步骤四得到的键合后的蓝宝石晶片再放入直接键合装置中以1150～1250℃的温度进行退火处理，得到退火后的蓝宝石晶片；
六、按照步骤一预划片的图形将退火后的蓝宝石晶片切割成芯片，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芯片。
本发明蓝宝石晶片(圆片级)直接键合装置具有两种加热方式，一种加热方式是热辐射式加热，采用辐射屏的热辐射式加热，可实现较大体积的均温区(≥1200℃)，功耗较大；另一种加热方式是传导式加热，采用加热台的热传导式加热，可实现较小体积的均温区(≥1200℃)，功耗较小。
本发明蓝宝石晶片(圆片级)直接键合工艺方法，针对双抛蓝宝石晶片(圆片级)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片之间的微小间隙，提升键合成功率。在完成蓝宝石晶片(圆片级)键合之后，再按照预划片的图形进行切割划片。
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方面的理想材料。本发明提出的一种蓝宝石晶片(圆片级)直接键合工艺方法，利用蓝宝石晶片直接键合装置实现了蓝宝石晶片(圆片级)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芯片的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，因此基于蓝宝石芯片的压力传感器能够工作在极端恶劣、高温环境中，工作温度可达到1500℃左右。
附图说明
图1是具体实施方式一步骤四中所述直接键合装置中真空室的结构示意图；
图2是实施例一中蓝宝石晶片B3-2(圆片级，有刻蚀凹腔)的预划片图形；
图3是高温夹具的结构示意图；
图4是蓝宝石压力敏感芯片的结构示意图；
图5是实施例二对单个蓝宝石压力敏感芯片直接键合的装夹结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法按以下步骤实施：
一、将蓝宝石晶片B3-2刻蚀出凹腔，然后采用机械切割或激光切割对蓝宝石晶片B3-2进行预划片，得到刻蚀的蓝宝石晶片B3-2；
二、将蓝宝石晶片A3-1和刻蚀的蓝宝石晶片B3-2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片A3-1和蓝宝石晶片B3-2；
三、将亲水预处理后的蓝宝石晶片A3-1和蓝宝石晶片B3-2对准叠放，放入键合机中进行预键合，得到预键合的蓝宝石晶片3；
四、把预键合的蓝宝石晶片3置于高温夹具中固定，然后放置在直接键合装置的真空室中，在真空室的内壁上设置有辐射屏1，在真空室底板的上表面设置有加热台2，装夹有预键合的蓝宝石晶片3的高温夹具置于加热台2上，在1150～1350℃的温度下持续加热40～60小时进行高温键合，得到键合后的蓝宝石晶片3；
五、将步骤四得到的键合后的蓝宝石晶片3再放入直接键合装置中以1150～1250℃的温度进行退火处理，得到退火后的蓝宝石晶片3；
六、按照步骤一预划片的图形将退火后的蓝宝石晶片3切割成芯片，在蓝宝石芯片A7-1与蓝宝石芯片B7-2之间形成真空腔8，得到蓝宝石压力敏感芯片7。
本实施方式步骤四蓝宝石晶片(圆片级)直接键合装置具有两个加热器件。一个加热器件是辐射屏1，辐射屏1外表面为真空腔外壳，辐射屏1内表面包裹键合装置内的整个真空空间，对真空空间进行全部加热；另一个加热器件是加热台2，处于真空空间的中心，只对真空空间的中心进行局部加热。
本实施方式用于制作高温光纤压力传感器的蓝宝石压力敏感结构，其原理是蓝宝石芯片A7-1与具有凹腔的蓝宝石芯片B7-2采用键合形成压力敏感结构(见图4)，由于蓝宝石材料具有优良的光学性能，当光纤传输的光穿过蓝宝石芯片B7-2入射到压力敏感腔，蓝宝石芯片A7-1的下表面与蓝宝石芯片B7-2的凹腔面形成法布里－珀罗干涉腔实现高温环境下的压力检测。本实施方式由于蓝宝石材料具有优良的光学性能，蓝宝石表面不需要镀反射膜；蓝宝石芯片A7-1与具有凹腔的蓝宝石芯片B7-2通过直接键合，不需要中间键合层。蓝宝石芯片A7-1与具有凹腔的蓝宝石芯片B7-2键合形成的真空腔8，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－珀罗干涉腔，降低光纤封装难度。本实施方式制作的蓝宝石压力敏感结构7采用同一种材料，结构简单，避免了高温环境下不同材料的应力失配问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方一不同的是步骤一预划切割的图形为轴对称图形或中心对称图形。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方二不同的是步骤一预划切割的图形为圆形、椭圆形、正方形或矩形。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一采用干法或湿法刻蚀出凹腔。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一所述的凹腔的深度为1μm～300μm之间，凹腔的直径为1mm～10mm之间。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四所述的高温夹具由刚玉圆盘4、刚玉圆筒5和氧化锆圆盘6组成，在刚玉圆盘4的上表面设置有刚玉圆筒5，预键合的蓝宝石晶片3放置在刚玉圆筒5中，在预键合的蓝宝石晶片3的上表面盖有多个氧化锆圆盘6。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
实施例一：本实施例蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法按以下步骤实施：
一、将厚度为0.4mm的蓝宝石晶片B3-2刻蚀出直径Φ5mm、深度50μm凹腔，然后采用激光切割对蓝宝石晶片B3-2进行预划片，预划切割成10×10mm的正方形，切割深度10μm，得到刻蚀的蓝宝石晶片B3-2；
二、将厚度为0.4mm的蓝宝石晶片A3-1和刻蚀的蓝宝石晶片B3-2依次经过RCA清洗和去离子水超声清洗，然后经质量浓度为85％的浓磷酸溶液腐蚀处理后置于浓度为0.5mol/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片A3-1和蓝宝石晶片B3-2；
三、将亲水预处理后的蓝宝石晶片A3-1和蓝宝石晶片B3-2对准叠放，放入键合机中在压力为2kN、温度为200℃的条件下进行预键合1h，得到预键合的蓝宝石晶片3；
四、把预键合的蓝宝石晶片3置于高温夹具中固定，然后放置在直接键合装置的真空室中，在真空室的内壁上设置有辐射屏1，在真空室底板的上表面设置有加热台2，装夹有预键合的蓝宝石3的高温夹具置于加热台2上，在压力为10N、温度为1200℃(真空腔环境温度)的条件下持续加热50小时进行高温键合，得到键合后的蓝宝石晶片3；
五、将步骤四得到的键合后的蓝宝石晶片3再放入直接键合装置中以1200℃的温度进行退火处理10h，得到退火后的蓝宝石晶片3；
六、按照步骤一预划片的图形将退火后的蓝宝石晶片3切割成芯片，在蓝宝石芯片A7-1与蓝宝石芯片B7-2之间形成真空腔8，得到蓝宝石压力敏感芯片7。
本实施例直接键合得到的蓝宝石压力敏感芯片由蓝宝石芯片A7-1和蓝宝石芯片B7-2直接键合而成，并在蓝宝石芯片B7-2上刻蚀有凹腔，所述蓝宝石芯片A7-1是将无刻蚀凹腔的圆片级蓝宝石晶片用机械切割或激光切割而成，所述蓝宝石芯片B7-2是将有刻蚀凹腔的圆片级蓝宝石晶片用机械切割或激光切割而成。所述真空腔8是在真空条件下键合蓝宝石芯片A7-1和蓝宝石芯片B7-2而形成的密封腔。本实施例得到的蓝宝石压力敏感芯片7的工作温度可达到1500℃以上。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是直接对单片蓝宝石芯片A7-1和蓝宝石芯片B7-2直接高温键合。
本实施例对单个蓝宝石压力敏感芯片直接键合的装夹结构示意图如图5所示。
Claims (6)
1.一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，其特征在于是按下列步骤实现：
一、将蓝宝石晶片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片B(3-2)进行预划片，得到刻蚀的蓝宝石晶片B(3-2)；
二、将蓝宝石晶片A(3-1)和刻蚀的蓝宝石晶片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片A(3-1)和蓝宝石晶片B(3-2)；
三、将亲水预处理后的蓝宝石晶片A(3-1)和蓝宝石晶片B(3-2)对准叠放，放入键合机中进行预键合，得到预键合的蓝宝石晶片(3)；
四、把预键合的蓝宝石晶片(3)置于高温夹具中固定，然后放置在直接键合装置的真空室中，在真空室的内壁上设置有辐射屏(1)，在真空室底板的上表面设置有加热台(2)，装夹有预键合的蓝宝石晶片(3)的高温夹具置于加热台(2)上，在1150～1350℃的温度下持续加热40～60小时进行高温键合，得到键合后的蓝宝石晶片(3)；
五、将步骤四得到的键合后的蓝宝石晶片(3)再放入直接键合装置中以1150～1250℃的温度进行退火处理，得到退火后的蓝宝石晶片(3)；
六、按照步骤一预划片的图形将退火后的蓝宝石晶片(3)切割成芯片，在蓝宝石芯片A(7-1)与蓝宝石芯片B(7-2)之间形成真空腔(8)，得到蓝宝石压力敏感芯片(7)。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，其特征在于步骤一预划切割的图形为轴对称图形或中心对称图形。
3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，其特征在于步骤一预划切割的图形为圆形、椭圆形、正方形或矩形。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，其特征在于步骤一采用干法或湿法刻蚀出凹腔。
5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，其特征在于步骤一所述的凹腔的深度为1μm～300μm之间，凹腔的直径为1mm～10mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法，其特征在于步骤四所述的高温夹具由刚玉圆盘(4)、刚玉圆筒(5)和氧化锆圆盘(6)组成，在刚玉圆盘(4)的上表面设置有刚玉圆筒(5)，预键合的蓝宝石晶片(3)放置在刚玉圆筒(5)中，在预键合的蓝宝石晶片(3)的上表面盖有多个氧化锆圆盘(6)。
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| JIHAENG YI, ET AL.: "Demonstration of an All-Sapphire Fabry–Pérot Cavity for Pressure Sensing", 《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11764198B2 (en) | 2017-03-02 | 2023-09-19 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Method and device for bonding of chips |
| US11990463B2 (en) | 2017-03-02 | 2024-05-21 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Device for bonding chips |
| CN110160570A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-08-23 | 上海大学 | 一种基于蓝宝石与光纤插芯键合的光纤传感器及制备方法 |
| CN110160570B (zh) * | 2019-05-13 | 2021-07-20 | 上海大学 | 一种基于蓝宝石与光纤插芯键合的光纤传感器及制备方法 |
| CN112744781A (zh) * | 2019-10-29 | 2021-05-04 | 中北大学 | 氧化镁密封腔的制备方法 |
| CN115036225A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-09-09 | 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) | 一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备 |
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| CN115036225B (zh) * | 2022-08-11 | 2022-11-15 | 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) | 一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105236350B (zh) | 2017-06-20 |
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