CN117003197B - 具有垂直法珀腔的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有垂直法珀腔的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，包括：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量块填充孔并填充制成质量柱；围绕质量柱的三个侧面深刻蚀形成间隙，并对间隙进行临时填充；在间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；在光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使深沟槽和质量柱贯穿单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄质量柱形成质量块；去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封，形成垂直法珀腔。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，尤其涉及具有垂直法珀腔的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法。
背景技术
以信息技术为代表的第三次工业革命深入发展， 快速推动了现代工业、农业和服务业的创新转型升级。云计算、物联网、大数据、人工智能、智能制造、智慧医疗、无人驾驶等新一代信息技术在极大地提升了现代工业的智能化程度的同时，也对起到环境感知作用的传感器及系统提出了更高的要求。传感器及系统朝着小尺寸、高集成度、承受恶劣环境等方向深入发展。以惯性导航中最常见的加速度传感器为例，最常用的两种工作机制是压阻式和电容式，然而基于单晶硅的压阻式加速度传感器不仅受温度变化影响大，而且其最高工作温度通常不超过120℃，超过120℃后内部的pn结隔离结构将会因为漏电流加剧而失去隔离效果，导致芯片失效；而电容式加速度传感器易受干扰，且远传能力较差。
硅基光电技术的发展为传感器件提供了新的工作机制，以法珀式加速度传感器为例，不仅抗干扰能力强，而且具有较好的远传能力，同时无源结构也使得其具有在120℃以上高温环境中工作的能力。传统的法珀式传感器是先用石英、硅、碳化硅、陶瓷等材料通过机械研磨、键合等方法制作法珀腔，再用陶瓷胶将光纤与法珀腔垂直组装。当压力或加速度等物理量作用于法珀腔的的可变膜片时，引起法珀腔的腔长发生变化，通过检测入射光和反射光的干涉变化得到相应的压力或加速度值。这种传统的器件结构不仅体积较大，而且工艺与硅基微电子/光电子工艺不兼容，不利于高精度、大批量地生产制造，也不便与电芯片实现高密度晶上集成。
发明内容
为了解决传统硅基压阻式传感器不耐高温、传统光纤基法珀式传感器不便于系统集成的问题，本申请实施例的目的是提供一种具有垂直法珀腔的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，不仅使用一般的单晶硅晶圆制造了可以在120℃以上高温环境中工作的惯性传感芯片，并且与硅基CMOS工艺完全兼容，可以实现晶上系统集成。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种具有垂直法珀腔的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，包括：
质量柱制造步骤：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量块填充孔并填充制成质量柱；
第一间隙制造步骤：围绕所述质量柱的三个侧面深刻蚀形成间隙，并对所述间隙进行临时填充；
第一光波导制造步骤：在所述间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在所述台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；
第一垂直敏感结构制造步骤：在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使所述深沟槽和质量柱贯穿所述单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；
质量块制造步骤：用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄质量柱形成质量块；
第一芯体结构密封步骤：去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封，形成垂直法珀腔。
进一步地，所述质量柱制造步骤包括：
在所述单晶硅晶圆的上表面上光刻并深刻蚀出质量块填充孔；
在所述单晶硅晶圆的上表面溅射金属种子层，在所述质量块填充孔中生长质量柱；
将所述单晶硅晶圆的上表面研磨抛光去除质量块填充孔之外多余的材料。
进一步地，所述第一间隙制造步骤包括：
围绕所述质量柱的三个侧面光刻并深刻蚀硅形成间隙，并在深刻蚀时保留所述质量柱周围的薄层硅；
利用湿法腐蚀去除所述薄层硅；
对所述间隙进行填充，以进行临时保护。
进一步地，所述第一光波导制造步骤中，所述上包层的材料为选自二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，所述芯层的材料为选自SU8、硅中的一种。
进一步地，所述芯层的端面中心正对预定的法珀腔的中心位置。
进一步地，所述第一垂直敏感结构制造步骤包括：
在所述波导出射端面和质量柱之间的台阶顶部沉积掩膜层并图形化，深刻蚀得到深沟槽；
对所述深沟槽进行填充，以进行临时保护；
减薄并抛光单晶硅晶圆的下表面，以使得所述深沟槽和质量柱完全贯穿所述单晶硅晶圆，且沿垂直台阶的轴向，所述芯层的轴向中心与所述深沟槽和所述质量柱的轴向中心重合。
进一步地，所述质量块制造步骤中，腐蚀完成后所述芯层在质量块运动方向的轴向中心与所述质量块的运动方向的轴向中心重合。
进一步地，在所述第一芯体结构密封步骤中，使用管壳对所述芯体结构进行密封。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种具有垂直法珀腔及梁-质量块结构的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，包括：
梁柱-质量柱生长步骤：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量柱填充孔、梁柱填充孔，填充质量柱填充孔制成质量柱，在生长质量柱的同时填充梁柱填充孔制成等高的梁柱，形成梁柱-质量柱结构；
第二间隙制造步骤：围绕所述梁柱-质量柱结构深刻蚀形成间隙，并对所述间隙进行临时填充；
第二光波导制造步骤：在所述间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在所述台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；
第二垂直敏感结构制造步骤：在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使所述深沟槽和梁柱-质量柱结构贯穿所述单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；
梁-质量块制造步骤：用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄梁柱-质量柱结构，形成梁-质量块；
第二芯体结构密封步骤：去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封，形成垂直法珀腔。
进一步地，在所述第二间隙制造步骤中，进行深刻蚀时，与所述质量柱相连的硅界面不与所述深沟槽的侧壁连接。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
第一，本发明使用微电子深刻蚀工艺在硅晶圆制造垂直敏感结构并形成法珀腔结构，与传统的法珀式传感器先用机械研磨、键合等方法制作法珀腔再用陶瓷胶将光纤与法珀腔垂直组装的方法相比，本发明的方法具有加工精度高、芯片面积小、制造工艺简单、便于大批量制造的优点；
第二，本发明使用单晶硅制造法珀式光电传感器，与传统的硅基压阻式和电容式传感器相比，具有工作温度高、温度漂移小、远传能力强的优点；
第三，本发明的制造工艺与硅基CMOS工艺完全兼容，可以实现多传感芯片、传感芯片-集成电路芯片的晶上系统集成。
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，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1所示为具有垂直法珀腔的高温光电加速度计的制备方法流程图，其中（a）-（j）为各流程晶圆的剖面图；
图2所示为具有垂直法珀腔的高温光电加速度计的制备方法流程图，其中（a）-（j）为各流程晶圆的俯视图；
图3所示为具有垂直法珀腔的高温光电加速度传感芯片的工作原理示意图。
图4所示为具有垂直法珀腔及梁-质量块结构的高温光电加速度计的俯视示意图。
图5所示为对x-y双轴敏感的加速度传感芯片的晶上集成结构示意图。
附图标记：单晶硅晶圆1、质量块填充孔2、铜柱3、薄层硅 4、间隙5、第一填充结构6、台阶7、下包层8、芯层9、上包层10、掩膜层11、深沟槽12、第二填充结构13、晶圆下表面14、质量块15、管壳16、法珀腔17、第一界面18、第二界面19、第三界面20、膜片21、梁22、硅界面23。
具体实施方式
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申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请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。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、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，在不脱离本申请范围的情况下，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”。
实施例1
本实施例以惯性传感器中的x轴加速度计为例进行介绍，但是本发明中使用的方法不局限于所述加速度计。
图1所示为本发明具有垂直法珀腔的高温光电加速度计的工艺流程剖面图，图2所示为本发明具有垂直法珀腔的高温光电加速度计的工艺流程俯视图，以单晶硅晶圆1为材料制造所述加速度传感芯片（图1中的（a）、图2中的（a））。
（1）质量柱制造步骤：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量块填充孔并填充制成质量柱；
（1.1）在所述单晶硅晶圆1的上表面上光刻并深刻蚀出质量块填充孔2（图1中的（b）、图2中的（b））。
（1.2）首先，在所述单晶硅晶圆1的上表面溅射金属种子层；然后在所述质量块填充孔2生长质量柱，优选用电镀的方法生长铜柱3；最后将所述单晶硅晶圆1的上表面研磨抛光去除质量块填充孔2之外多余的铜（图1中的（c）、图2中的（c））。
（2）第一间隙制造步骤：围绕所述质量柱的三个侧面深刻蚀形成间隙，并对所述间隙进行临时填充；
（2.1）制造间隙5。可以直接围绕所述铜柱3的三面光刻并深刻蚀间隙5（图1中的（e）、图2中的（e））。也可以先在深刻蚀时保留铜柱3周围的薄层硅4，厚度优选1~10微米（图1中的（d）、图2中的（d））以保护铜柱3不被深刻蚀工艺影响，深刻蚀完成后用湿法腐蚀去除薄层硅4（图1中的（e）、图2中的（e））。
（2.2）可以使用多次交替旋涂并烘干光刻胶或喷涂光刻胶的方式填充间隙5，也可以使用等离子增强化学气相淀积（PECVD）等方法沉积二氧化硅，得到第一填充结构6。
（3）第一光波导制造步骤：在所述间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在所述台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；
具体地，在所述间隙5的对侧光刻刻蚀所述单晶硅晶圆1的上表面，形成台阶7；最后，在台阶7上依次沉积光波导的下包层8、芯层9、上包层10及侧壁包层（图1中的（f）、图2中的（f））。所述包层的材料包括但不局限于二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，所述芯层的材料包括但不局限于SU8、硅等。所述芯层9的端面中心应正对所述法珀腔17的中心位置。需要说明的是，垂直方向法珀腔的深度是可以通过深硅刻蚀的时间和速率基本精确控制的。比如，如果预先设定SU8光波导厚度是4微米，深刻蚀法珀腔的深槽是100微米，那么刻蚀的台阶就是48微米。这样在台阶上图形化4微米的光波导以后，其芯层正对100微米法珀腔中心。实际做的时候会有一些偏差，那我们就把深槽刻蚀的略微深一些，正常制作波导以后通过最后的底部减薄来控制波导的芯层正对法珀腔的中心。
（4）第一垂直敏感结构制造步骤：在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使所述深沟槽和质量柱贯穿所述单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；
（4.1）首先，在所述单晶硅晶圆1的上表面沉积掩膜层11并图形化；然后，在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部用深刻蚀的方法得到深沟槽12（图1中的（g）、图2中的（g））。
（4.2）可以使用多次交替旋涂并烘干光刻胶或喷涂光刻胶的方式填充所述深沟槽12，也可以使用PECVD等方法沉积二氧化硅，得到第二填充结构13；
（4.3）减薄并抛光晶圆下表面14（图1中的（h）、图2中的（h）），减薄后所述深沟槽12和所述铜柱3应该完全贯穿，且沿垂直台阶的轴向，所述芯层9的轴向中心与所述深沟槽12和所述质量柱的轴向中心重合，以质量柱与台阶的交点为原点，在水平方向有两个轴，即平行台阶和垂直台阶。在本实施例中，所述芯层9的x轴向中心应该与所述深沟槽12和所述铜柱3的x轴向中心重合。
（5）质量块制造步骤：用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄质量柱形成质量块；
具体地，用湿法腐蚀从上、下表面同时减薄所述铜柱3，得到质量块15（图1中的（i）、图2中的（i））。所述湿法腐蚀液包含但不局限于冰醋酸和双氧水的混合溶液。通过控制腐蚀条件使铜柱3的上、下表面的腐蚀速率相等，腐蚀完成后所述芯层9在质量块15运动方向的轴向中心与所述质量块15的运动方向的轴向中心重合。在本实施例中腐蚀完成后所述芯层9的x轴向中心仍然与质量块15的x轴向中心重合。
（6）第一芯体结构密封步骤：去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封；
步骤8：去除所述第一填充结构6、掩膜层11、第二填充结构13，得到具有悬浮质量块15的光电加速度传感器芯体结构；用管壳16将芯体结构密封，形成法珀腔17（图1中的（j）、图2中的（j））。
需要说明的是，若需制备其他惯性传感芯片（如角速度计），只需在步骤（4.1）中进行对应的图形化，其余步骤与制备加速度计同理。
如图3所示，具有垂直法珀腔的高温光电加速度计的工作原理是，当光束从光波导的芯层9入到至法珀腔17时，入射光束将在第一界面18、第二界面19和第三界面20产生反射，三束反射光发生干涉。法珀腔的第三界面20所在膜片21的外侧与质量块15连接。当质量块受到x轴向的加速度作用时，带动膜片21沿x轴向形变，法珀腔17的腔长随之发生变化。通过解调求出腔长的变化量就可以计算出x轴向加速度值。
因为上述的工艺步骤在硅晶圆上进行，所有工艺都与微电子工艺完全兼容，因此可以实现与集成电路芯片的片上集成；又因为本具有垂直法珀腔的高温光电加速度计为无源结构且材料能够耐受高温，所以单一的法珀式传感芯片可以在120℃以上的高温环境中工作。
实施例2
上述的具有垂直法珀腔的高温光电加速度计中的敏感结构是由垂直方向的敏感膜片21和位于其外侧中心处的质量块15组成的膜-质量块结构，由于膜弹簧的劲度系数通常较高，因此所述加速度传感芯片的灵敏度较低。作为本申请的另一实施例，本申请还提供一种具有垂直法珀腔及梁-质量块结构的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，包括：
梁柱-质量柱生长步骤：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量柱填充孔、梁柱填充孔，填充质量柱填充孔制成质量柱，在生长质量柱的同时填充梁柱填充孔制成等高的梁柱，形成梁柱-质量柱结构；
第二间隙制造步骤：围绕所述梁柱-质量柱结构深刻蚀形成间隙，并对所述间隙进行临时填充；
第二光波导制造步骤：在所述间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在所述台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；
第二垂直敏感结构制造步骤：在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使所述深沟槽和梁柱-质量柱结构贯穿所述单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；
梁-质量块制造步骤：用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄梁柱-质量柱结构，形成梁-质量块；
第二芯体结构密封步骤：去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封。
通过上述步骤制备得到的具有垂直法珀腔及梁-质量块结构的高温光电加速度计如图4所示。需要说明的是，在本实施例中，在用深刻蚀的方法得到深沟槽12时与铜柱3相连的硅界面23不再与深沟槽12的侧壁连接；在减薄并抛光所述晶圆下表面14实现铜柱3和梁柱的同时贯穿；在上用湿法腐蚀从上、下表面同时减薄所述铜柱3，得到质量块15，同时得到等厚的梁22。其他步骤的具体实施均与实施例1同理，此处不作赘述。由于梁22在垂直方向上的高度远小于第一实施例中膜片21的高度，具有更小的劲度系数，因此具有更高的灵敏度。
实施例3
本申请还提供将通过实施例1或实施例2所提供的方法得到的高温惯性芯片进行晶上集成的实施例。
基于实施例1或实施例2所提供的方法可以制备x轴向排布的加速度传感芯片，同理也可以制备y轴向排布的加速度传感芯片。如图5所述，将x轴向排布的加速度传感芯片和y轴向排布的加速度传感芯片在晶圆上集成，由于二者结构完全相同仅轴向不同，因此在一个制造工艺流程中可以同时制造出来。二者分别对x轴向的加速度和y轴向的加速度敏感，集成后的芯片可以同时检测x和y轴向的加速度，也可以根据力的合成和分解原理检测水平面内任意角度的加速度。
以上对本发明所提供的具有垂直法珀腔的高温惯性传感芯片及晶上集成方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种具有垂直法珀腔的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，其特征在于，包括：
质量柱制造步骤：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量块填充孔并填充制成质量柱；
第一间隙制造步骤：围绕所述质量柱的三个侧面深刻蚀形成间隙，并对所述间隙进行临时填充；
第一光波导制造步骤：在所述间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在所述台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；
第一垂直敏感结构制造步骤：在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使所述深沟槽和质量柱贯穿所述单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；
质量块制造步骤：用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄质量柱形成质量块；
第一芯体结构密封步骤：去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封，形成垂直法珀腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量柱制造步骤包括：
在所述单晶硅晶圆的上表面上光刻并深刻蚀出质量块填充孔；
在所述单晶硅晶圆的上表面溅射金属种子层，在所述质量块填充孔中生长质量柱；
将所述单晶硅晶圆的上表面研磨抛光去除质量块填充孔之外多余的材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一间隙制造步骤包括：
围绕所述质量柱的三个侧面光刻并深刻蚀硅形成间隙，并在深刻蚀时保留所述质量柱周围的薄层硅；
利用湿法腐蚀去除所述薄层硅；
对所述间隙进行填充，以进行临时保护。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光波导制造步骤中，所述上包层的材料为选自二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，所述芯层的材料为选自SU8、硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯层的端面中心正对预定的法珀腔的中心位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一垂直敏感结构制造步骤包括：
在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部沉积掩膜层并图形化，深刻蚀得到深沟槽；
对所述深沟槽进行填充，以进行临时保护；
减薄并抛光单晶硅晶圆的下表面，以使得所述深沟槽和质量柱完全贯穿所述单晶硅晶圆，且沿垂直台阶的轴向，所述芯层的轴向中心与所述深沟槽和所述质量柱的轴向中心重合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量块制造步骤中，腐蚀完成后所述芯层在质量块运动方向的轴向中心与所述质量块的运动方向的轴向中心重合。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一芯体结构密封步骤中，使用管壳对所述芯体结构进行密封。
9.一种具有垂直法珀腔及梁-质量块结构的可晶上集成的高温惯性芯片制备方法，其特征在于，包括：
梁柱-质量柱生长步骤：在单晶硅晶圆上表面深刻蚀质量柱填充孔、梁柱填充孔，填充质量柱填充孔制成质量柱，在生长质量柱的同时填充梁柱填充孔制成等高的梁柱，形成梁柱-质量柱结构；
第二间隙制造步骤：围绕所述梁柱-质量柱结构深刻蚀形成间隙，并对所述间隙进行临时填充；
第二光波导制造步骤：在所述间隙的对侧的单晶硅晶圆上表面刻蚀形成台阶，并在所述台阶上依次沉积下包层、芯层、上包层，形成光波导；
第二垂直敏感结构制造步骤：在所述光波导的出射端面和质量柱之间的台阶顶部深刻蚀深沟槽结构，减薄单晶硅晶圆下表面使所述深沟槽和梁柱-质量柱结构贯穿所述单晶硅晶圆，并形成垂直敏感结构；
梁-质量块制造步骤：用湿法腐蚀从上下两端同时腐蚀减薄梁柱-质量柱结构，形成梁-质量块；
第二芯体结构密封步骤：去除临时填充的材料，对得到的芯体结构进行密封，形成垂直法珀腔。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第二间隙制造步骤中，进行深刻蚀时，与所述质量柱相连的硅界面不与所述深沟槽的侧壁连接。
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