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

本发明属于电子，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：

1、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，主要通过传统的机械加工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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、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。

10、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。

11、进一步地，所述第一光波导制造步骤包括：

12、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；

13、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。

14、进一步地，所述第一光波导释放步骤包括：

15、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；

16、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；

17、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。

18、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：

19、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；

20、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；

21、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。

22、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：

23、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；

24、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；

25、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；

26、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。

27、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。

28、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。

29、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：

30、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；

31、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；

32、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；

33、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；

34、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；

35、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。

36、本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

37、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；

38、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；

39、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。

40、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。