Cu—Cu键合工艺及其在高功率声光器件中的应用

2019-10-22曹家强刘保见陈虹羽

压电与声光 2019年5期

曹家强，刘保见，杨涛，吴畏，陈虹羽，王洁, 彭霄

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

声光器件是基于声光效应研制的光电类器件，可通过调谐方式实现光信号强度、相位、频率调制及光束偏转和滤光功能。随着军用光电装备向高功率、高可靠及小型化等方向发展，要求声光器件具有更大的功率承受能力和更高的衍射效率。声光器件键合层材料和键合工艺直接影响器件的衍射效率等关键性能指标[1]，对研制高功率、高可靠声光器件很重要。

声光器件通常采用熔点较低的金属薄膜作为键合层，但高功率声光器件的主要问题是发热量大，低熔点薄膜吸热后强度降低，导致器件键合强度也随之降低，影响器件的功率承受能力和可靠性[2]。铜(Cu)的熔点很高(1 083.4 ℃)，延展性好，导热导电性能高，机械强度高，是理想的键合材料[3]，采用Cu薄膜作为键合层是研制高功率声光器件的重要技术途径。Cu—Cu 扩散键合是基于界面Cu原子的互扩散而实现材料间键合，其能在较低温度下实现高强度键合[4]。本文对Cu薄膜的制备工艺和Cu—Cu扩散键合工艺展开研究，通过原子力显微镜(AFM)测试薄膜的表面形貌，通过扫描电子显微镜(SEM)和剪切力测试仪分析键合效果，最后制作声光调制器样品并测试其相关性能指标。

1 实验

实验采用二氧化碲(TeO2)晶体作为声光介质，铌酸锂(LN)作为压电晶片，样品主要制作步骤如下：

1) 超声清洗TeO2晶体和LN晶片。依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，清洗时间均为10 min。

2) 等离子体清洁活化TeO2和LN表面。采用射频等离子体预处理系统，氩气作为工作气体，电源频率为13.56 MHz，氩气流量为450 cm3/min，射频功率为500 W。

3) 电子束蒸发Cr/Cu薄膜。在TeO2晶体和LN晶片的键合面分别蒸镀Cr和Cu薄膜，其中Cr薄膜作为附着层，膜层厚为20 nm Cr/350 nm Cu。为降低薄膜表面粗糙度，对电子束蒸发工艺进行优化，优化后的参数如表1所示。

表1 电子束蒸发工艺参数

4) Cu—Cu 扩散键合。为防止Cu薄膜表面氧化和污染，键合过程是在高真空环境下进行。影响键合质量的工艺参数较多，如键合温度、键合压力和键合时间等。实验采用的键合温度为120 ℃，键合压强为30 MPa，保压时间为30 min，Cu—Cu扩散键合示意图如图1所示。

图1 Cu—Cu扩散键合示意图

5) 样品键合完成后，将LN晶片研磨抛光到设计厚度，最后沉积上电极等完成器件制作。

采用水滴角测量仪测试射频等离子体处理效果，采用AFM测试Cu薄膜的表面形貌，采用SEM分析样品断面形貌，采用剪切力测试键合强度，最后测试调制器的功率承受能力和衍射效率。

2 实验结果及讨论

等离子体预处理能有效清除残留有机物，活化材料表面，提高膜层与晶体的附着力，进而提高键合强度。预处理时间对水滴角的影响如图2所示。水滴角随着预处理时间的增加而快速减小，最后趋近于0°。当预处理时间为120 s时，样品表面水滴角由处理前的31°降至0°，说明晶体表面洁净度和活化度有改善。

图2 预处理时间对水滴角的影响

Cu薄膜的表面粗糙度与键合质量有关，光滑平整的表面更易实现高强度的扩散键合。图3为AFM测试Cu薄膜的表面形貌图片，测试图形尺寸为20 μm×20 μm。由图可见，Cu薄膜表面均匀平滑，起伏很小，AFM测试数据表明，Cu薄膜表面均方根粗糙度(RMS)为9.06 nm。

图3 Cu薄膜的二维及三维AFM图片

图4为键合样品的SEM断面图。经测量，Cr/Cu/Cu/Cr键合层总厚度为755.5 nm，与镀膜工艺设置膜厚(740 nm)基本符合。由图可以看出，整个键合界面均匀致密，内部无空隙、孔洞等缺陷，说明键合质量良好。

图4 样品SEM断面图

将键合后的样品切割成4 mm×5 mm的小样品，利用剪切力测试仪测试样品键合强度。首先将样品粘接到专用的夹具上，再将夹具用螺钉固定到测试仪的工作台上，最后利用推刀对LN晶片施加横向剪切力。当样品在剪切力作用下出现破损失效时，其键合强度为

(1)

式中：Fmax为使样品出现破损的剪切力；S为有效键合面积。测试曲线如图5所示，样品失效时施加的剪切力为5.538 kg，样品键合面积为20 mm2，计算得到键合强度为2.7 MPa，多次实验证明，该键合强度完全满足LN晶片研磨抛光等后续工艺要求。

图5 剪切力测试曲线

实验发现，经过剪切力测试后的样品从TeO2晶体内部断裂，而没有在Cu—Cu键合面处断裂(见图6)，说明样品形成了牢固的键合，同时也说明了Cr/Cu薄膜与TeO2晶体和LN晶片附着力良好，射频等离子体预处理的清洁活化效果明显。另外，由于样品是在TeO2晶体内部断裂，所以实际的Cu—Cu键合界面处的强度应该大于实验测得的剪切强度。

图6 样品剪切断面图

样品键合完成后将LN晶片研磨抛光至设计厚度，然后沉积Cr/Au上电极，经过电阻抗匹配等工序后完成调制器的制作。图7为调制器性能测试框图。由图可知，器件中心频率为275 MHz时，能承受的最大电功率为8 W/mm2，是低熔点键合材料声光器件的2倍，且峰值衍射效率达70%，相比低熔点键合材料器件提高了近15%。