具有差分结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法与流程

1.本发明属于电子技术领域，尤其涉及具有差分结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法。


背景技术：

2.法珀式压力传感器是基于多束光干涉原理工作的传感器。与传统的压阻式、电容式等电子压力传感器相比，基于光学原理的法珀式压力传感器的制造工艺过程中无需掺杂工艺、金属化工艺等复杂且易受温度影响的工艺过程，最高工作温度可以接近材料的承受极限，因此在航空航天、深井勘探、反应压力容器等领域，法珀式压力传感器被用来检测极端高温环境中的压力。目前，法珀式压力传感器主要是光纤式的，其结构主要由含有压力敏感膜片的真空法珀腔和光纤组成，主要通过传统的权威认证方式来进行制造和装配，这种制造方式与微电子工艺相比，难以大批量制造传感器件并难以实现与其他光学芯片、电学芯片的晶上系统集成。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的是提供一种具有差分结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法，直接在硅晶圆上使用深刻蚀工艺刻蚀具有垂直方向压力敏感膜片，同时制作水平方向的光束传输的硅基条形波导，整个制造过程可以使用微电子工艺在硅晶圆上完成，不仅可以满足大批量生产的需求，而且可以与其他光学芯片、电学芯片在晶圆上进行单片集成，构成具有复杂功能的电-光-传感（eic-pic-mems）晶上集成系统。此外，本发明的光电压力传感器芯片无需掺杂工艺、金属化工艺等易受温度影响的工艺过程，可以在接近硅基材料弹性形变能够承受的最高温度极限工作。
4.根据本技术实施例的第一方面，提供一种具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法，包括：第一法珀腔深刻蚀步骤：在单晶硅晶圆上光刻并深刻蚀硅，形成开口的法珀腔、垂直方向压力敏感膜片、进气槽；第一牺牲层填充步骤：在所述开口的法珀腔、进气槽中填充牺牲层材料，并在单晶硅晶圆正面沉积密封层；第一光波导制造步骤：光刻刻蚀单晶硅晶圆的上表面形成单晶硅光波导的芯层，并在单晶硅晶圆的上表面沉积二氧化硅层，包裹所述芯层的上表面和侧表面；第一光波导释放步骤：在单晶硅晶圆的上表面进行临时支撑，光刻刻蚀晶圆的下表面至穿通，形成悬浮的光波导结构；第一牺牲层释放步骤：去除所述开口的法珀腔、进气槽中填充的牺牲层材料；第一气密封装步骤：在真空条件下将所述开口的法珀腔密封。
5.进一步地，所述第一牺牲层填充步骤中，采用多次交替旋涂、烘干光刻胶的方式或喷涂光刻胶的方式进行牺牲层材料的填充。
6.进一步地，所述第一牺牲层填充步骤中，用等离子体增强化学气相淀积法沉积上表面二氧化硅层作为密封层。
7.进一步地，所述第一光波导制造步骤包括：光刻刻蚀绝缘体上硅晶圆的器件层形成单晶硅光波导的芯层，其中所述芯层的轴线与所述垂直方向压力敏感膜片的中轴线重合；在晶圆正面沉积二氧化硅层，将所述芯层的上表面和侧表面包裹起来，形成单晶硅光波导的上面和侧面包层。
8.进一步地，所述第一光波导释放步骤包括：在单晶硅晶圆的上表面填充光波导与法珀腔之间的台阶，以进行临时支撑；在单晶硅晶圆的下表面光刻并刻蚀下表面钝化层形成背面腐蚀窗口；基于所述背面腐蚀窗口，用夹具保护正面并用碱性腐蚀溶液对单晶硅晶圆的下表面进行各向异性腐蚀至穿通，形成空心的方形凸台结构和悬浮结构的单晶硅光波导芯层。
9.进一步地，若采取对临时对光波导进行支撑的方案，则所述第一牺牲层释放步骤包括：在所述单晶硅晶圆的下表面沉积二氧化硅层，形成所述单晶硅光波导芯层的下底包层；在所述单晶硅晶圆的上表面光刻刻蚀上表面钝化层形成法珀腔释放孔和进气槽释放孔；通过所述法珀腔释放孔和进气槽释放孔分别去除所述开口的法珀腔、进气槽中填充的所述牺牲层材料，同时去除所述单晶硅晶圆上表面的临时支撑。
10.进一步地，若采取对永久对光波导进行支撑的方案，则所述第一牺牲层释放步骤包括：在所述单晶硅晶圆的下表面沉积二氧化硅层，形成所述单晶硅光波导芯层的下底包层；在所述空心的方形凸台结构中填充光波导的永久性支撑材料；在所述单晶硅晶圆的上表面光刻刻蚀上表面钝化层形成法珀腔释放孔和进气槽释放孔；通过所述法珀腔释放孔和进气槽释放孔分别去除所述开口的法珀腔、进气槽中填充的所述牺牲层材料，同时去除所述单晶硅晶圆上表面的临时支撑。
11.进一步地，通过旋涂、喷涂或浸入固化高温陶瓷胶来填充所述永久性支撑材料。
12.进一步地，所述第一气密封装步骤中，在真空条件下通过沉积密封结构将开口的法珀腔密封，所述密封结构的材料选自金属浆料、玻璃浆料、聚酰亚胺、su8、bcb、二氧化硅、环氧树脂、金属镀层、含钠离子玻璃圆片、硅晶圆，所述密封结构的沉积方法选自丝网印刷、倒装键合、化学气相淀积、牺牲层粘附效应法、阳极键合、热压键合、激光局部加热。
13.根据本技术实施例的第二方面，提供一种具有差分结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法，包括：第二法珀腔深刻蚀步骤：在单晶硅晶圆上光刻并深刻蚀硅，形成垂直方向压力敏感膜片以及所述垂直方向敏感膜片两侧且以其为对称轴的两个进气槽和两个开口的法珀腔；
第二牺牲层填充步骤：在所述开口的法珀腔、进气槽中填充牺牲层材料，并在单晶硅晶圆正面沉积密封层；第二光波导制造步骤：光刻刻蚀单晶硅晶圆的上表面形成单晶硅光波导的芯层，并在单晶硅晶圆的上表面沉积二氧化硅层，包裹所述芯层的上表面和侧表面；第一光波导释放步骤：在单晶硅晶圆的上表面进行临时支撑，光刻刻蚀晶圆的下表面至穿通，形成悬浮的光波导结构；第二牺牲层释放步骤：去除所述开口的法珀腔、进气槽中填充的牺牲层材料；第二气密封装步骤：在真空条件下将其中一个的所述开口的法珀腔密封。
14.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：第一，与传统的光纤法珀式压力传感器相比，本发明采用微电子深刻蚀方法，直接在硅晶圆上制造垂直方向的法珀腔，同时在利用各项异性腐蚀释放方法在硅晶圆上制造水平方向的光束传输的硅基条形波导，形成硅基法珀式压力传感器，器件具有单侧结构，具有进一步放大压力信号的功能。制造方法与微电子工艺完全兼容，可以满足大规模批量化生产的需求，且可以实现电-光-传感（eic-pic-mems）的晶上系统集成；第二，与传统硅基光电子器件通常由绝缘体上硅（soi）片制备相比，本发明的光电压力传感器采用纯单晶硅晶圆制造，降低了生产成本；第三，与传统的硅基压阻式、电容式、压电式等压力传感器的水平方向压力敏感膜片相比，本发明采用深刻蚀工艺制造垂直方向带有法珀腔的压力敏感结构，占用芯片面积小，密封口也小，不必一定依赖额外的键合工艺制造真空密封腔，同时没有易受温度影响的金属化工艺，可以在接近硅基材料弹性形变能够承受的最高温度极限的600℃以上工作。
15.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
16.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
17.图1为具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法的流程图，其中图1中的（a）-图1中的（g）分别为各流程晶圆剖面图；图2为具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法的流程图，其中图2中的（a）-图2中的（f）分别为各流程晶圆俯视图；图3为具有单侧结构的高温光电压力传感芯片示意图，其中图3中的（a）为四分之一的三维结构，图3中的（b）为俯视示意图；图4为具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的工作原理示意图，其中图4中的（a）为剖视视角的工作原理示意图，图4中的（b）为俯视视角的工作原理示意图；图5为具有差分结构的高温光电压力传感芯片的示意图，其中图5中的（a）为剖视图，图5中的（b）为俯视图。
18.附图标记：单晶硅晶圆1、上表面钝化层2、下表面钝化层3、法珀腔4、垂直方向压力敏感膜片5、进气槽6、牺牲层材料7、密封层8、芯层9、上面和侧面包层10、方形凸台结构11、下底包层12、支撑材料13、法珀腔释放孔14、进气槽释放孔15、真空法珀腔16、密封结构17、
第一界面18、第二界面19、第三界面20、第四界面21、开口法珀腔22。
具体实施方式
19.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。
20.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
21.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
22.如图1和图2所示，本技术实施例提供一种具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法，以下以n（100）型单晶硅晶圆1为材料制造所述芯片（图1中的（a））。
23.（1）法珀腔4深刻蚀步骤：在单晶硅晶圆1上光刻并深刻蚀硅，形成开口的法珀腔4、垂直方向压力敏感膜片5、进气槽6；具体地，在单晶硅晶圆1上、下表面进行生长上表面钝化层2和下表面钝化层3，优选干氧氧化生长二氧化硅层，也可以是lpcvd 二氧化硅层和氮化硅层；在所述单晶硅晶圆1的上表面进行深硅刻蚀形成开口的法珀腔4、垂直方向压力敏感膜片5、进气槽6（图1中的（b）、图2中的（a））。
24.（2）第一牺牲层填充步骤：在所述开口的法珀腔4、进气槽6中填充起临时支撑作用的牺牲层材料7，并在单晶硅晶圆1正面沉积密封层8；具体地，在所述开口的法珀腔4、进气槽6中填充起临时支撑作用的牺牲层材料7，优选多次交替旋涂、烘干光刻胶的方式或喷涂光刻胶的方式填充。然后，在单晶硅晶圆正面沉积密封层8，所述密封层8优选用等离子体增强化学气相淀积法（pecvd）沉积上表面二氧化硅层（图1中的（c）、图2中的（b））。
25.（3）第一光波导制造步骤：光刻刻蚀单晶硅晶圆1的上表面形成单晶硅光波导的芯层9，并在单晶硅晶圆的上表面沉积二氧化硅层，包裹所述芯层9的上表面和侧表面；具体包括：（3.1）光刻刻蚀单晶硅晶圆1的上表面形成单晶硅光波导芯层9，其中芯层9的轴线应与所述垂直方向压力敏感膜片5的中轴线重合。
26.（3.2）在单晶硅晶圆的上表面用pecvd法沉积二氧化硅层，将所述芯层9的上表面和侧面包裹起来，形成单晶硅光波导的上面和侧面包层10（图1中的（d）、图2中的（c））。
27.（4）第一光波导释放步骤：光刻刻蚀晶圆的下表面至穿通，形成悬浮的光波导结构，在所述单晶硅晶圆的下表面沉积二氧化硅层，形成所述芯层9的下底包层12；首先在单晶硅晶圆1的上表面优选多次交替旋涂、烘干光刻胶的方式或喷涂光刻
胶的方式填充光波导与法珀腔之间的台阶，并起到临时支撑的作用，然后在单晶硅晶圆1的下表面光刻并刻蚀下表面钝化层3形成背面腐蚀窗口，之后用夹具保护正面并用碱性腐蚀溶液对单晶硅晶圆1的下表面进行各向异性腐蚀至穿通停止，形成如图3中的（a）所示的空心的方形凸台结构11和悬浮结构的单晶硅光波导芯层9（图1中的（e）、图2中的（d））。所述对单晶硅具有各向异性腐蚀功能的碱性腐蚀溶液优选氢氧化钾（koh）或四甲基氢氧化铵（tmah）溶液。（5）第一牺牲层释放步骤：去除所述开口的法珀腔4、进气槽6中填充的牺牲层材料；具体地，若采取对临时对光波导起支撑作用的方案，首先，在所述单晶硅晶圆的下表面沉积二氧化硅层，形成所述单晶硅光波导芯层9的下底包层12。然后，在单晶硅晶圆的上表面光刻刻蚀钝化层形成法珀腔释放孔14和进气槽释放孔15。然后，去除所述牺牲层材料7、所述光波导与法珀腔之间的台阶处的填充（图1中的（f）、图2中的（e））。
28.若采取永久性对光波导起支撑作用的方案，首先，在所述单晶硅晶圆的下表面沉积二氧化硅层，形成所述单晶硅光波导芯层9的下底包层12。然后，在所述空心的方形凸台结构11中填充光波导的支撑材料13（图1中的（f）、图2中的（e））。所述支撑材料可以是如高温陶瓷胶等，涂布方式可以是旋涂、喷涂、浸入固化等。最后，在单晶硅晶圆的上表面光刻刻蚀钝化层形成法珀腔释放孔14和进气槽释放孔15。然后，去除所述牺牲层材料7、所述光波导与法珀腔之间的台阶处的填充。
29.（6）第一气密封装步骤：在真空条件下将所述开口的法珀腔4密封，形成具有单侧结构的高温光电压力传感芯片；具体地，在真空条件下通过沉积密封结构17将所述法珀腔释放孔14密封，形成具有垂直敏感膜的绝压式真空法珀腔16，进而完成如图3所示的具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造。所述密封结构17的材料包含但不局限于金属浆料、玻璃浆料、聚酰亚胺、su8、bcb、二氧化硅、环氧树脂、金属镀层、含钠离子玻璃圆片、硅晶圆等。所述密封结构17的沉积方法包含但不局限于丝网印刷、倒装键合、化学气相淀积、牺牲层粘附效应法、阳极键合、热压键合、激光局部加热等。
30.如图4所示具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的工作原理是，当光束从单晶硅光波导的芯层9入到至真空法珀腔16时，入射光束将在第一界面18和第二界面19产生反射，两束反射光发生干涉。当外界压力增大时，垂直方向压力敏感膜片5的中心形变量增加，真空法珀腔16的腔长缩短。通过解调求出腔长的变化量就可以计算出垂直方向压力敏感膜片5所受压力。由于本发明所述的工艺步骤是在纯单晶硅晶圆上进行的，无需掺杂工艺、金属化工艺等易受温度影响的工艺过程，也不存在压阻器件的本征激发、压电器件的居里温度效应等对工作温度的限制，因此可以在接近硅基材料弹性形变能够承受的最高温度极限的600℃以上工作。
31.本技术还提供一种具有差分结构的高温光电压力传感芯片的晶圆级制造方法，包括：第二法珀腔深刻蚀步骤：在单晶硅晶圆上光刻并深刻蚀硅，形成垂直方向压力敏感膜片以及所述垂直方向敏感膜片两侧且以其为对称轴的两个进气槽和两个开口的法珀腔；第二牺牲层填充步骤：在所述开口的法珀腔、进气槽中填充牺牲层材料，并在单晶
硅晶圆正面沉积密封层；第二光波导制造步骤：光刻刻蚀单晶硅晶圆的上表面形成单晶硅光波导的芯层，并在单晶硅晶圆的上表面沉积二氧化硅层，包裹所述芯层的上表面和侧表面；第一光波导释放步骤：在单晶硅晶圆的上表面进行临时支撑，光刻刻蚀晶圆的下表面至穿通，形成悬浮的光波导结构；第二牺牲层释放步骤：去除所述开口的法珀腔、进气槽中填充的牺牲层材料；第二气密封装步骤：在真空条件下将其中一个的所述开口的法珀腔密封。
32.通过上述方法制造得到的具有差分结构的高温光电压力传感芯片如图5所示，是在所述具有单侧结构的高温光电压力传感芯片的基础上，在所述进气槽6的一侧制造相应的法珀式压力传感芯片结构，以所述垂直方向压力敏感膜片5外侧的第三界面20和所述进气槽6外侧的第四界面21构成开口法珀腔22，入射光束将在第三界面20和第四界面21产生反射，两束反射光发生干涉。当所述垂直方向压力敏感膜片5受到压力作用时发生变形，真空法珀腔16的腔长变短而开口法珀腔22的腔长变长，检测相应的反射光相位变化就可以得到相应的压力值。因为所述压力传感芯片具有差分结构，因此具有放大压力信号的功能。
33.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
34.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。