一种传感器的硅硅键合真空封装工艺的制作方法

本发明涉及传感器的封装，尤其涉及一种传感器的硅硅键合真空封装工艺。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、真空封装是谐振式压力传感器的关键技术，目前主要的真空封装技术包括阳极键合、共晶键合以及热压键合等，但这些工艺中玻璃、金属等异质材料引入的热应力对器件的性能有较大影响。而硅硅直接键合采用同质材料，是实现传感器低应力封装最有效的途径。然而，硅硅熔融键合温度达到1000℃以上，并且酸洗等活化工艺使得金属基吸气剂无法兼容硅硅键合过程，因此限制了硅硅键合在传感器真空封装中的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决硅硅键合高温退火工艺与吸气剂工艺不兼容的问题，为此，本发明提出一种无须吸气剂的传感器的硅硅键合真空封装工艺。具体地，本发明提供如下所述的技术方案。

2、一种传感器的硅硅键合真空封装工艺，包括如下步骤：

3、（1）在第一硅片上腐蚀形成锚点和凹槽结构，并通过热氧氧化处理在所述第一硅片表面形成氧化硅层。

4、（2）将第二硅片和上述步骤（1）得到的第一硅片进行清洗并活化，然后将所述第二硅片置于第一硅片的上表面上，并在真空条件下进行硅硅预键合处理。完成后退火，使第一硅片和第二硅片形成牢固的键合片。

5、（3）从所述键合片中第二硅片的上表面对其进行减薄至预定厚度，然后对第二硅片的上表面进行抛光形成谐振器层，并在该谐振器层对上表面上开设导气槽，得到的晶圆结构备用。

6、（4）对步骤（3）得到的晶圆结构进行刻蚀将所述谐振器层断裂为三段，同时暴露刻蚀断裂处下方的第一硅片的凹槽，使中间段的所述谐振器层支撑在支撑柱上形成谐振器，所述支撑柱为第一硅片的一部分，且所述凹槽与导气槽的内侧一端连通。

7、（5）在第三硅片上开设密封孔、引线孔和真空腔。所述密封孔和引线孔竖向分布在第三硅片中且贯穿其上、下表面；所述真空腔位于的底面上。然后对上述结构的第三硅片进行热氧氧化处理，从而在第三硅片的表面、引线孔及密封孔内壁形成氧化硅绝缘层。

8、（6）将上述步骤（5）得到的第三硅片进行清洗并活化，然后将得到的第三硅片置于上述步骤（4）得到的晶圆结构的上表面上，使所述密封孔对应于所述导气槽的外侧一端，所述真空腔与谐振器对应，使所述谐振器位于在凹槽和真空腔形成的腔室中。然后在真空条件下进行硅硅预键合处理，完成后退火，使所述第三硅片的下表面与所述晶圆结构之间形成牢固的键合片。

9、（7）在真空条件下在所述密封孔的内壁上镀覆ti/au复合层，并利用该ti/au复合层封堵所述导气槽，从而将所述谐振器真空封装在所述腔室中。继续在所述密封孔中置入焊锡材质的球体，然后通过激光局部加热使所述焊锡材质的球体的表层熔化，并与所述ti/au复合层浸润结合在一起，从而进一步提高密封强度。

10、（8）在步骤（7）得到的传感器结构的顶面上沉积氧化硅保护层，即得真空封装的传感器。

11、进一步地，步骤（1）中，所述热氧氧化处理的方法为在1000~1100℃条件下对硅片依次进行干氧氧化、湿氧氧化和干氧氧化，生长一层致密的氧化硅层。可选地，所述氧化硅层的厚度为0.5um~1um，该氧化硅层的主要用于与第二硅片进行绝缘。

12、进一步地，步骤（2）中，所述清洗并活化的方法为：采用rca1号洗液和rca2号洗液清洗，烘干后通过n2等离子活化。

13、进一步地，步骤（2）中，所述硅硅预键合的温度范围为350℃~550℃，压力范围为3000mbar~5500mbar，键合时间为40min~60min。

14、进一步地，步骤（2）中，所述退火的温度范围为1000℃~1100℃，退火时间4~5h。

15、进一步地，步骤（3）中，将第二硅片的厚度减薄至30um~50um范围内。

16、进一步地，步骤（3）中，所述导气槽的深度为1~2um，宽度为2~5um。可选地，通过深硅刻蚀工艺形成所述导气槽。

17、进一步地，步骤（5）中，所述密封孔的孔径为300um~500um。优选地，所述密封孔为锥形孔，且其上端口直径大于下端口，其内壁用于附着金属层。所述焊锡材质的球体的直径位于锥形孔的上端口直径和下端口之间。

18、进一步地，步骤（5）中，所述热氧氧化处理的方法为在1000~1100℃条件下对硅片依次进行干氧氧化、湿氧氧化和干氧氧化，生长一层致密的氧化硅层。可选地，所述氧化层厚度为0.5um~1um。

19、进一步地，步骤（6）中，所述清洗并活化的方法为：采用rca1号洗液和rca2号洗液清洗，烘干后通过n2等离子活化。

20、进一步地，步骤（6）中，所述硅硅预键合的温度范围为350℃~550℃，压力范围为3000mbar~5500mbar，键合时间为40min~60min。

21、进一步地，步骤（7）中，所述退火的温度范围为1000℃~1100℃，退火时间4~5h。

22、进一步地，步骤（8）中，所述真空范围5×10-7mbar~1×10-5mbar，所述ti/au复合层中ti层的厚度范围为30nm~50nm，所述au层的厚度范围为2~3μm，为从而实现对导气槽的密封。其中，所述ti层镀覆在密封孔的内壁上，所述au层镀覆在ti层上。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的工艺通过在真空条件下对导气槽进行填充密封，解决了硅硅熔融键合无法实现高真空密封的问题。进一步地，本发明采用在所述密封孔中置入焊锡材质的球体，然后在真空条件下加热使所述焊锡材质的球体的表层熔化，并与所述ti/au复合层浸润结合的方式解决了密封可靠性差的问题，提升了传感器的耐压强度。本发明的工艺无需使用吸气剂，解决了吸气剂高温失活和清洗活化工艺兼容性差的问题；避免了传统采用吸气剂真空封装方法在高低温冲击后的裂纹、金属颗粒污染等问题，提升了器件的长期可靠性。

技术特征：

1.一种传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（1）中，步骤（1）中，所述热氧氧化处理的方法为在1000~1100℃条件下对硅片依次进行干氧氧化、湿氧氧化和干氧氧化，生长一层致密的氧化硅层；可选地，所述氧化硅层的厚度为0.5um~1um。

3.根据权利要求1所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（3）中，所述导气槽的深度为1~2um；可选地，通过深硅刻蚀工艺形成所述导气槽；

4.根据权利要求1所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（6）中，所述密封孔的孔径为300um~500um。

5.根据权利要求4所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，所述密封孔为锥形孔，且其上端口直径大于下端口；所述焊锡材质的球体的直径位于锥形孔的上端口直径和下端口之间。

6.根据权利要求1所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（7）中，所述真空条件为5×10-7mbar~1×10-5mbar。

7.根据权利要求1所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（7）中，所述ti/au复合层中ti层的厚度范围为30nm~50nm，所述au层的厚度范围为2um~3um；其中，所述ti层镀覆在密封孔的内壁上，所述au层镀覆在ti层上。

8.根据权利要求1-6任一项所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（3）中，所述热氧氧化处理的方法为：在1000~1100℃条件下对硅片依次进行干氧氧化、湿氧氧化和干氧氧化，生长一层致密的氧化硅层。

9.根据权利要求1-6任一项所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（2）和步骤（6）中，所述硅硅预键合的温度范围为硅硅预键合的温度范围为350℃~550℃，压力范围为3000mbar~5500mbar，键合时间为40min~60min。

10.根据权利要求1-6任一项所述的传感器的硅硅键合真空封装工艺，其特征在于，步骤（2）和步骤（6）中，所述退火的温度范围为1000℃~1100℃，退火时间4~5h。

技术总结
本发明涉及传感器的封装技术领域，具体公开一种传感器的硅硅键合真空封装工艺。本发明的工艺通过在真空条件下对导气槽进行填充密封，解决了硅硅熔融键合无法实现高真空密封的问题。进一步地，本发明采用在所述密封孔中置入焊锡材质的球体，然后加热使所述焊锡材质的球体的表层熔化，并与所述Ti/Au复合层浸润结合的方式解决了密封可靠性差的问题，提升了传感器的耐压强度。本发明的工艺无需使用吸气剂，解决了吸气剂高温失活和清洗活化工艺兼容性差的问题；避免了传统采用吸气剂真空封装方法在高低温冲击后的裂纹、金属颗粒污染等问题，提升了器件的长期可靠性。

技术研发人员：谢波,王军波,商艳龙
受保护的技术使用者：山东中科思尔科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29