Cu—Cu鍵合工藝及其在高功率聲光器件中的應用

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研制的光電類器件，可通過調諧方式實現光信號強度、相位、頻率調制及光束偏轉和濾光功能。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鍵性能指標[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熱量大，低熔點薄膜吸熱后強度降低，導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，導熱導電性能高，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途徑。Cu—Cu 擴散鍵合是基于界面Cu原子的互擴散而實現材料間鍵合，其能在較低溫度下實現高強度鍵合[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，最后制作聲光調制器樣品并測試其相關性能指標。

1 實驗

實驗采用二氧化碲(TeO2)晶體作為聲光介質，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處理系統，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，對電子束蒸發工藝進行優化，優化后的參數如表1所示。

表1 電子束蒸發工藝參數

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境下進行。影響鍵合質量的工藝參數較多，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，最后測試調制器的功率承受能力和衍射效率。

2 實驗結果及討論

等離子體預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，進而提高鍵合強度。預處理時間對水滴角的影響如圖2所示。水滴角隨著預處理時間的增加而快速減小，最后趨近于0°。當預處理時間為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 預處理時間對水滴角的影響

Cu薄膜的表面粗糙度與鍵合質量有關，光滑平整的表面更易實現高強度的擴散鍵合。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測試數據表明，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。經測量，Cr/Cu/Cu/Cr鍵合層總厚度為755.5 nm，與鍍膜工藝設置膜厚(740 nm)基本符合。由圖可以看出，整個鍵合界面均勻致密，內部無空隙、孔洞等缺陷，說明鍵合質量良好。

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。當樣品在剪切力作用下出現破損失效時，其鍵合強度為

(1)

式中：Fmax為使樣品出現破損的剪切力；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工藝要求。

圖5 剪切力測試曲線

實驗發現，經過剪切力測試后的樣品從TeO2晶體內部斷裂，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，射頻等離子體預處理的清潔活化效果明顯。另外，由于樣品是在TeO2晶體內部斷裂，所以實際的Cu—Cu鍵合界面處的強度應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晶片研磨拋光至設計厚度，然后沉積Cr/Au上電極，經過電阻抗匹配等工序后完成調制器的制作。圖7為調制器性能測試框圖。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70%，相比低熔點鍵合材料器件提高了近15%。

圖7 調制器性能測試框圖

3 結束語

本文采用電子束蒸發工藝制備了Cr/Cu薄膜鍵合層，在120 ℃的低溫下實現了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量好，鍵合強度高。采用該工藝制作的聲光調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。