Cu—Cu鍵合工藝及其在高功率聲光器件中的應(yīng)用

曹家強，劉保見，楊 濤，吳 畏，陳虹羽，王 潔, 彭 霄

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

聲光器件是基于聲光效應(yīng)研制的光電類器件，可通過調(diào)諧方式實現(xiàn)光信號強度、相位、頻率調(diào)制及光束偏轉(zhuǎn)和濾光功能。隨著軍用光電裝備向高功率、高可靠及小型化等方向發(fā)展，要求聲光器件具有更大的功率承受能力和更高的衍射效率。聲光器件鍵合層材料和鍵合工藝直接影響器件的衍射效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)[1]，對研制高功率、高可靠聲光器件很重要。

聲光器件通常采用熔點較低的金屬薄膜作為鍵合層，但高功率聲光器件的主要問題是發(fā)熱量大，低熔點薄膜吸熱后強度降低，導(dǎo)致器件鍵合強度也隨之降低，影響器件的功率承受能力和可靠性[2]。銅(Cu)的熔點很高(1 083.4 ℃)，延展性好，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能高，機械強度高，是理想的鍵合材料[3]，采用Cu薄膜作為鍵合層是研制高功率聲光器件的重要技術(shù)途徑。Cu—Cu 擴散鍵合是基于界面Cu原子的互擴散而實現(xiàn)材料間鍵合，其能在較低溫度下實現(xiàn)高強度鍵合[4]。本文對Cu薄膜的制備工藝和Cu—Cu擴散鍵合工藝展開研究，通過原子力顯微鏡(AFM)測試薄膜的表面形貌，通過掃描電子顯微鏡(SEM)和剪切力測試儀分析鍵合效果，最后制作聲光調(diào)制器樣品并測試其相關(guān)性能指標(biāo)。

1 實驗

實驗采用二氧化碲(TeO2)晶體作為聲光介質(zhì)，鈮酸鋰(LN)作為壓電晶片，樣品主要制作步驟如下：

1) 超聲清洗TeO2晶體和LN晶片。依次采用丙酮、無水乙醇和去離子水清洗，清洗時間均為10 min。

2) 等離子體清潔活化TeO2和LN表面。采用射頻等離子體預(yù)處理系統(tǒng)，氬氣作為工作氣體，電源頻率為13.56 MHz，氬氣流量為450 cm3/min，射頻功率為500 W。

3) 電子束蒸發(fā)Cr/Cu薄膜。在TeO2晶體和LN晶片的鍵合面分別蒸鍍Cr和Cu薄膜，其中Cr薄膜作為附著層，膜層厚為20 nm Cr/350 nm Cu。為降低薄膜表面粗糙度，對電子束蒸發(fā)工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1 電子束蒸發(fā)工藝參數(shù)

4) Cu—Cu 擴散鍵合。為防止Cu薄膜表面氧化和污染，鍵合過程是在高真空環(huán)境下進(jìn)行。影響鍵合質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，如鍵合溫度、鍵合壓力和鍵合時間等。實驗采用的鍵合溫度為120 ℃，鍵合壓強為30 MPa，保壓時間為30 min，Cu—Cu擴散鍵合示意圖如圖1所示。

圖1 Cu—Cu擴散鍵合示意圖

5) 樣品鍵合完成后，將LN晶片研磨拋光到設(shè)計厚度，最后沉積上電極等完成器件制作。

采用水滴角測量儀測試射頻等離子體處理效果，采用AFM測試Cu薄膜的表面形貌，采用SEM分析樣品斷面形貌，采用剪切力測試鍵合強度，最后測試調(diào)制器的功率承受能力和衍射效率。

2 實驗結(jié)果及討論

等離子體預(yù)處理能有效清除殘留有機物，活化材料表面，提高膜層與晶體的附著力，進(jìn)而提高鍵合強度。預(yù)處理時間對水滴角的影響如圖2所示。水滴角隨著預(yù)處理時間的增加而快速減小，最后趨近于0°。當(dāng)預(yù)處理時間為120 s時，樣品表面水滴角由處理前的31°降至0°，說明晶體表面潔凈度和活化度有改善。

圖2 預(yù)處理時間對水滴角的影響

Cu薄膜的表面粗糙度與鍵合質(zhì)量有關(guān)，光滑平整的表面更易實現(xiàn)高強度的擴散鍵合。圖3為AFM測試Cu薄膜的表面形貌圖片，測試圖形尺寸為20 μm×20 μm。由圖可見，Cu薄膜表面均勻平滑，起伏很小，AFM測試數(shù)據(jù)表明，Cu薄膜表面均方根粗糙度(RMS)為9.06 nm。

圖3 Cu薄膜的二維及三維AFM圖片

圖4為鍵合樣品的SEM斷面圖。經(jīng)測量，Cr/Cu/Cu/Cr鍵合層總厚度為755.5 nm，與鍍膜工藝設(shè)置膜厚(740 nm)基本符合。由圖可以看出，整個鍵合界面均勻致密，內(nèi)部無空隙、孔洞等缺陷，說明鍵合質(zhì)量良好。

圖4 樣品SEM斷面圖

將鍵合后的樣品切割成4 mm×5 mm的小樣品，利用剪切力測試儀測試樣品鍵合強度。首先將樣品粘接到專用的夾具上，再將夾具用螺釘固定到測試儀的工作臺上，最后利用推刀對LN晶片施加橫向剪切力。當(dāng)樣品在剪切力作用下出現(xiàn)破損失效時，其鍵合強度為

(1)

式中：Fmax為使樣品出現(xiàn)破損的剪切力；S為有效鍵合面積。測試曲線如圖5所示，樣品失效時施加的剪切力為5.538 kg，樣品鍵合面積為20 mm2，計算得到鍵合強度為2.7 MPa，多次實驗證明，該鍵合強度完全滿足LN晶片研磨拋光等后續(xù)工藝要求。

圖5 剪切力測試曲線

實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過剪切力測試后的樣品從TeO2晶體內(nèi)部斷裂，而沒有在Cu—Cu鍵合面處斷裂(見圖6)，說明樣品形成了牢固的鍵合，同時也說明了Cr/Cu薄膜與TeO2晶體和LN晶片附著力良好，射頻等離子體預(yù)處理的清潔活化效果明顯。另外，由于樣品是在TeO2晶體內(nèi)部斷裂，所以實際的Cu—Cu鍵合界面處的強度應(yīng)該大于實驗測得的剪切強度。

圖6 樣品剪切斷面圖

樣品鍵合完成后將LN晶片研磨拋光至設(shè)計厚度，然后沉積Cr/Au上電極，經(jīng)過電阻抗匹配等工序后完成調(diào)制器的制作。圖7為調(diào)制器性能測試框圖。由圖可知，器件中心頻率為275 MHz時，能承受的最大電功率為8 W/mm2，是低熔點鍵合材料聲光器件的2倍，且峰值衍射效率達(dá)70%，相比低熔點鍵合材料器件提高了近15%。

圖7 調(diào)制器性能測試框圖

3 結(jié)束語

本文采用電子束蒸發(fā)工藝制備了Cr/Cu薄膜鍵合層，在120 ℃的低溫下實現(xiàn)了TeO2聲光晶體與LN壓電晶片的Cu-Cu擴散鍵合，SEM和剪切力等測試表明鍵合質(zhì)量好，鍵合強度高。采用該工藝制作的聲光調(diào)制器功率承受能力和峰值衍射效率顯著提高，基本滿足高功率聲光器件的性能要求。