一种面向晶上系统集成的高温硅基光电压力传感芯片的制作方法

本发明属于电子，尤其涉及一种面向晶上系统集成的高温硅基光电压力传感芯片。

背景技术：

1、自从法布里和珀罗发明多光束干涉仪以来，多种基于多光束干涉原理的法珀传感器被研发出来，法珀压力传感器是的典型应用之一。传统的法珀压力传感器主要是光纤式的，即主要由含有压力敏感膜片的真空法珀腔和光纤组成。光纤法珀式压力传感器具有抗电磁干扰能力强、测量精度高、可以在高温环境中工作的优点。但是无论是真空法珀腔的加工过程还是光纤与真空法珀腔的组装过程通常都是通过传统的机械加工的方式进行的。不仅生产效率较低，而且无法与集成电路芯片实现单片集成。

2、随着微电子制造工艺和硅基光电子技术的发展，通过微电子工艺将光子器件和电子器件在硅晶圆上单片集成成为了研究的热点。光电混合集成电路把光电器件与微电子器件集成在一起，实现了集成电路技术与光互连技术的优势结合。一方面，光电混合集成极大程度的缩短了互连长度，提高了集成度；另一方面，光互连提高了大数据系统的通信速度和传输带宽，提升了集成电路系统的性能。此外，基于微电子制造工艺可以快速、大批量、高精度地制造硅基光电子器件，显著提升了光电器件的生产效率。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的是提供一种面向晶上系统集成的高温硅基光电压力传感芯片，不采用传统的光纤式的器件结构和制造工艺，而是采用微电子深刻蚀方法，直接在绝缘体上硅（soi）晶圆上制造垂直方向的法珀腔，同时在利用soi晶圆的器件层单晶硅和埋氧层二氧化硅制造光束传输的硅基光波导。与传统的光纤式法珀压力传感器的制造方法相比，本发明提出的方法与集成电路工艺完全兼容，可以实现晶上的光电混合集成，生产效率和系统性能均得到大幅提升系。

2、根据本申请实施例的第一方面，提供一种面向晶上系统集成的高温硅基光电压力传感芯片，该芯片的制备方法包括：

3、法珀腔深刻蚀步骤：在绝缘体上硅晶圆上光刻并深刻蚀硅、埋氧层二氧化硅、衬底硅，形成开口的法珀腔、垂直方向压力敏感膜片、进气槽；

4、牺牲层填充步骤：在所述开口的法珀腔、进气槽中填充起临时支撑作用的牺牲层材料，并在晶圆正面沉积密封层；

5、光波导制造步骤：光刻刻蚀晶圆的器件层形成单晶硅光波导的芯层，并在晶圆的上表面沉积二氧化硅层，将所述芯层包裹起来，形成单晶硅光波导的包层；

6、牺牲层释放步骤：去除所述开口的法珀腔、进气槽中填充起临时支撑作用的牺牲层材料；

7、气密封装步骤：在真空条件下将所述开口的法珀腔密封。

8、进一步地，在所述牺牲层填充步骤中，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填充所述牺牲层材料。

9、进一步地，所述光波导制造步骤包括：

10、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；

11、在绝缘体上硅晶圆正面沉积二氧化硅层，与绝缘体上硅晶圆的埋氧层二氧化硅将所述芯层包裹起来，形成单晶硅光波导的包层；

12、在光波导区域临时填充材料使深槽形成工艺平面。

13、进一步地，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。

14、进一步地，牺牲层释放步骤包括：

15、光刻刻蚀所述开口的法珀腔、进气槽上方的二氧化硅层，分别形成牺牲层材料的法珀腔释放孔和进气槽释放孔；

16、通过所述法珀腔释放孔和进气槽释放孔去除所述临时支撑的牺牲层材料。

17、进一步地，在所述气密封装步骤中，在真空条件下，通过沉积密封结构将所述开口的法珀腔释放孔密封；所述密封结构的材料包括金属浆料、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包括丝网印刷、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。

18、根据本申请实施例的第二方面，提供一种具有差分功能的法珀式压力传感芯片，由具有垂直敏感膜片的法珀式压力传感芯片与电容式压力传感芯片单片集成，该压力传感器的制备方法包括：

19、法珀腔深刻蚀步骤：在绝缘体上硅晶圆上光刻并深刻蚀硅、埋氧层二氧化硅、衬底硅，形成开口的法珀腔、垂直方向压力敏感膜片、进气槽；

20、牺牲层填充步骤：在所述开口的法珀腔、进气槽中填充起临时支撑作用的牺牲层材料，并在晶圆正面沉积密封层；

21、光波导制造步骤：光刻刻蚀晶圆的器件层形成单晶硅光波导的芯层，并在晶圆的上表面沉积二氧化硅层，将所述芯层包裹起来，形成单晶硅光波导的包层；

22、第一牺牲层释放步骤：去除所述进气槽中填充起临时支撑作用的牺牲层材料；

23、平行板电容制造步骤：在所述进气槽的内壁沉积起电学绝缘隔离功能的二氧化硅层，并在所述法珀腔的外侧壁及其相对的侧壁沉积金属层作为平行板电容器的极板；

24、第二牺牲层释放步骤：去除所述开口的法珀腔中填充起临时支撑作用的牺牲层材料；

25、气密封装步骤：在真空条件下将所述开口的法珀腔密封。

26、进一步地，所述平行板电容制造步骤包括：

27、在所述进气槽的内壁沉积起电学绝缘隔离功能的二氧化硅层；

28、在密封后的真空法珀腔的外侧壁及其相对的侧壁上沉积金属层作为平行板电容器的极板；

29、将所述平行板电容器的极板引出到晶圆上表面形成焊盘。

30、本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

31、第一，采用微电子深刻蚀方法，直接在soi晶圆上制造垂直方向的法珀腔，同时在利用soi晶圆的器件层单晶硅和埋氧层二氧化硅制造光束传输的硅基光波导，与微电子工艺完全兼容，可以大规模批量化生产；

32、第二，本发明的制造工艺直接在硅晶圆上制造硅基光电子传感芯片，有利于硅基微电子芯片在晶圆上实现光电混合的单片集成，提升系统的性能；

33、第三，本发明在晶圆上制造硅基法珀压力传感芯片，可以在120℃以上的高温环境中工作。

34、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。

技术特征：

1.一种面向晶上系统集成的高温硅基光电压力传感芯片，其特征在于，该芯片的制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，在所述牺牲层填充步骤中，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填充所述牺牲层材料。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光波导制造步骤包括：

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，牺牲层释放步骤包括：

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，在所述气密封装步骤中，在真空条件下，通过沉积密封结构将所述开口的法珀腔密封；所述密封结构的材料包括金属浆料、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包括丝网印刷、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。

7.一种具有差分功能的法珀式压力传感芯片，其特征在于，由具有垂直敏感膜片的法珀式压力传感芯片与电容式压力传感芯片单片集成，该压力传感器的制备方法包括：

8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述平行板电容制造步骤包括：

技术总结
本发明公开了一种面向晶上系统集成的高温硅基光电压力传感芯片，其制备方法包括：法珀腔深刻蚀步骤、牺牲层填充步骤、光波导制造步骤、牺牲层释放步骤、气密封装步骤。本发明采用微电子深刻蚀方法，直接在绝缘体上硅晶圆上制造垂直方向的法珀腔，并利用绝缘体上硅晶圆的器件层单晶硅和埋氧层二氧化硅制造光束传输的硅基光波导，与微电子工艺完全兼容，具有更高的生产效率。同时，本发明的制造工艺直接在硅晶圆上制造硅基光电子传感芯片，有利于硅基微电子芯片在晶圆上实现光电混合的单片集成，进一步提升了系统的性能。此外，本发明在晶圆上制造硅基法珀压力传感芯片，可以在120℃以上的高温环境中工作。

技术研发人员：刘冠东,王传智,李洁,王伟豪,曹荣,张汝云
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13