[发明专利]一种蓝宝石压力敏感芯片的直接键合方法

说明书

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；