一種藍寶石壓力敏感芯片的直接鍵合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于MEMS工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種藍寶石晶片(圓片級)的直接鍵合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的半導(dǎo)體壓力傳感器的工作溫度一般在600°C以下，其中，SiC壓阻式壓力傳感器的最高工作溫度600°C，SOI壓力傳感器的最高工作溫度在500°C以下，硅-藍寶石壓力傳感器的最高工作溫度350°C。電學(xué)式壓力傳感器難以應(yīng)用于更高的溫度環(huán)境中。
[0003]目前，國外出現(xiàn)了基于藍寶石芯片的光纖壓力傳感器產(chǎn)品，如英國Oxsensis公司的Wave-Phire DPT950型光纖壓力傳感器，最高工作溫度可達到600°C，探頭最前端可達到1000°C。而國內(nèi)還未報道基于藍寶石芯片的光纖壓力傳感器的研究成果。中國專利文獻CN103234673公開了一種耐高溫的壓力傳感器微納結(jié)構(gòu)，其包括:碳化硅膜片、反射膜、半反射膜、鍵合層、碳化硅基板、封裝層和藍寶石光纖；反射膜鍍在碳化硅膜片中部，半反射膜鍍在藍寶石光纖末端，鍵合層(二氧化硅)位于碳化硅膜片與碳化硅基板之間，藍寶石光纖通過封裝層(高溫陶瓷膠)與碳化硅基板連接。上述壓力傳感器的制備工藝是采用鍍在碳化硅膜片上的反射膜與鍍在藍寶石光纖末端上的半反射膜形成法布里一珀羅干涉腔，實現(xiàn)高溫環(huán)境下的壓力檢測。
[0004]目前，國內(nèi)的藍寶石晶片(圓片級)直接鍵合工藝還處于理論研究階段，至今還沒有成熟的藍寶石晶片(圓片級)直接鍵合工藝技術(shù)。而國內(nèi)在圓片級鍵合方面通常是針對硅基材料，例如，硅-硅鍵合、硅-玻璃陽極鍵合等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有工藝難以實現(xiàn)藍寶石壓力敏感結(jié)構(gòu)中藍寶石晶片的直接鍵合，以及制備得到的壓力傳感器的工作溫度較低的問題，而提供一種藍寶石壓力敏感芯片的直接鍵合方法。
[0006]本發(fā)明藍寶石壓力敏感芯片的直接鍵合方法按以下步驟實現(xiàn):
[0007]—、將藍寶石晶片B刻蝕出凹腔，然后采用機械切割或激光切割對藍寶石晶片B進行預(yù)劃片，得到刻蝕的藍寶石晶片B ;
[0008]二、將藍寶石晶片A和刻蝕的藍寶石晶片B依次經(jīng)過RCA清洗和去離子水超聲清洗，然后經(jīng)濃磷酸溶液腐蝕處理后置于濃度為0.5?lmol/L稀硫酸中形成羥基層，用去離子水沖洗后得到親水預(yù)處理后的藍寶石晶片A和藍寶石晶片B ;
[0009]三、將親水預(yù)處理后的藍寶石晶片A和藍寶石晶片B對準疊放，放入鍵合機中進行預(yù)鍵合，得到預(yù)鍵合的藍寶石晶片；
[0010]四、把預(yù)鍵合的藍寶石晶片置于高溫夾具中固定，然后放置在直接鍵合裝置的真空室中，在真空室的內(nèi)壁上設(shè)置有輻射屏，在真空室底板的上表面設(shè)置有加熱臺，裝夾有預(yù)鍵合的藍寶石晶片的高溫夾具置于加熱臺上，在1150?1350°C的溫度下持續(xù)加熱40?60小時進行高溫鍵合，得到鍵合后的藍寶石晶片；
[0011]五、將步驟四得到的鍵合后的藍寶石晶片再放入直接鍵合裝置中以1150?1250°C的溫度進行退火處理，得到退火后的藍寶石晶片；
[0012]六、按照步驟一預(yù)劃片的圖形將退火后的藍寶石晶片切割成芯片，在藍寶石芯片A與藍寶石芯片B之間形成真空腔，得到藍寶石壓力敏感芯片。
[0013]本發(fā)明藍寶石晶片(圓片級)直接鍵合裝置具有兩種加熱方式，一種加熱方式是熱輻射式加熱，采用輻射屏的熱輻射式加熱，可實現(xiàn)較大體積的均溫區(qū)(多1200°C )，功耗較大；另一種加熱方式是傳導(dǎo)式加熱，采用加熱臺的熱傳導(dǎo)式加熱，可實現(xiàn)較小體積的均溫區(qū)(彡1200°C )，功耗較小。
[0014]本發(fā)明藍寶石晶片(圓片級)直接鍵合工藝方法，針對雙拋藍寶石晶片(圓片級)的粗糙度、總體厚度偏差、局部厚度偏差、翹曲度、彎曲度等參數(shù)均較大而難以實現(xiàn)直接鍵合(不使用粘合劑或者中間材料層)，而采用預(yù)劃片的方式消除兩片藍寶石晶片之間的微小間隙，提升鍵合成功率。在完成藍寶石晶片(圓片級)鍵合之后，再按照預(yù)劃片的圖形進行切割劃片。
[0015]藍寶石的熔點超過2000°C，并且具有極佳的抗腐蝕特性，所以成為了高溫和惡劣環(huán)境傳感方面的理想材料。本發(fā)明提出的一種藍寶石晶片(圓片級)直接鍵合工藝方法，利用藍寶石晶片直接鍵合裝置實現(xiàn)了藍寶石晶片(圓片級)的直接鍵合以及藍寶石芯片的直接鍵合。由于得到的藍寶石壓力敏感芯片的結(jié)構(gòu)中不使用粘合劑或者中間材料層，完全是單晶藍寶石材料，因此基于藍寶石芯片的壓力傳感器能夠工作在極端惡劣、高溫環(huán)境中，工作溫度可達到1500°C左右。
【附圖說明】
[0016]圖1是【具體實施方式】一步驟四中所述直接鍵合裝置中真空室的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是實施例一中藍寶石晶片B3_2(圓片級，有刻蝕凹腔)的預(yù)劃片圖形；
[0018]圖3是高溫夾具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是監(jiān)寶石壓力敏感芯片的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0020]圖5是實施例二對單個藍寶石壓力敏感芯片直接鍵合的裝夾結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:本實施方式藍寶石壓力敏感芯片的直接鍵合方法按以下步驟實施:
[0022]—、將藍寶石晶片B3-2刻蝕出凹腔，然后采用機械切割或激光切割對藍寶石晶片B3-2進行預(yù)劃片，得到刻蝕的藍寶石晶片B3-2 ;
[0023]二、將藍寶石晶片A3-1和刻蝕的藍寶石晶片B3-2依次經(jīng)過RCA清洗和去離子水超聲清洗，然后經(jīng)濃磷酸溶液腐蝕處理后置于濃度為0.5?lmol/L稀硫酸中形成羥基層，用去離子水沖洗后得到親水預(yù)處理后的藍寶石晶片A3-1和藍寶石晶片B3-2 ;
[0024]三、將親水預(yù)處理后的藍寶石晶片A3-1和藍寶石晶片B3-2對準疊放，放入鍵合機中進行預(yù)鍵合，得到預(yù)鍵合的藍寶石晶片3 ;
[0025]四、把預(yù)鍵合的藍寶石晶片3置于高溫夾具中固定，然后放置在直接鍵合裝置的真空室中，在真空室的內(nèi)壁上設(shè)置有輻射屏1，在真空室底板的上表面設(shè)置有加熱臺2，裝夾有預(yù)鍵合的藍寶石晶片3的高溫夾具置于加熱臺2上，在1150?1350°C的溫度下持續(xù)加熱40?60小時進行高溫鍵合，得到鍵合后的藍寶石晶片3 ;
[0026]五、將步驟四得到的鍵合后的藍寶石晶片3再放入直接鍵合裝置中以1150?1250°C的溫度進行退火處理，得到退火后的藍寶石晶片3 ;
[0027]六、按照步驟一預(yù)劃片的圖形將退火后的藍寶石晶片3切割成芯片，在藍寶石芯片A7-1與藍寶石芯片B7-2之間形成真空腔8，得到藍寶石壓力敏感芯片7。
[0028]本實施方式步驟四藍寶石晶片(圓片級)直接鍵合裝置具有兩個加熱器件。一個加熱器件是輻射屏1，輻射屏1外表面為真空腔外殼，輻射屏1內(nèi)表面包裹鍵合裝置內(nèi)的整個真空空間，對真空空間進行全部加熱；另一個加熱器件是加熱臺2，處于真空空間的中心，只對真空空間的中心進行局部加熱。
[0029]本實施方式用于制作高溫光纖壓力傳感器的藍寶石壓力敏感結(jié)構(gòu)，其原理是藍寶石芯片A7-1與具有凹腔的藍寶石芯片B7-2采用鍵合形成壓力敏感結(jié)構(gòu)(見圖4)，由于藍寶石材料具有優(yōu)良的光學(xué)性能，當光纖傳輸?shù)墓獯┻^藍寶石芯片B7-2入射到壓力敏感腔，藍寶石芯片A7-1的下表面與藍寶石芯片B7-2的凹腔面形成法布里一珀羅干涉腔實現(xiàn)高溫環(huán)境下的壓力檢測。本實施方式由于藍寶石材料具有優(yōu)良的光學(xué)性能，藍寶石表面不需要鍍反射膜；藍寶石芯片A7-1與具有凹腔的藍寶石芯片B7-2通過直接鍵合，不需要中間鍵合層。藍寶石芯片A7-1與具有凹腔的藍寶石芯片B7-2鍵合形成的真空腔8，可以減少高溫下若