Cu-Cu鍵合工藝及其在高功率聲光器件中的應用

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(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晶圓鍵合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(fā)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（１０８３．４℃），延展性好，導熱導電性能高，機械強度高，是理想的晶圓鍵合機鍵合材料［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薄膜的制備工藝和晶圓鍵合機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１０ｍｉｎ。

        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１３．５６ＭＨｚ，氬氣流量為４５０ｃｍ３／ｍｉｎ，射頻功率為５００Ｗ。

        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２０ｎｍＣｒ／３５０ｎｍＣｕ。為降低薄膜表面粗糙度，對電子束蒸發(fā)工藝進行優(yōu)化，優(yōu)化后的參數如表１所示。

表１ 電子束蒸發(fā)工藝參數

        ４）Ｃｕ—Ｃｕ擴散鍵合。為防止Ｃｕ薄膜表面氧化和污染，晶圓鍵合機鍵合過程是在高真空環(huán)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３０ＭＰａ，保壓時間為３０ｍｉｎ，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，進而提高晶圓鍵合機鍵合強度。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１２０ｓ時，樣品表面水滴角滑起伏很小，，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測試數據表明，Ｃｕ薄膜表面均方根粗糙度（ＲＭＳ）為９．０６ｎｍ。

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７５５．５ｎｍ，與鍍膜工藝設置膜厚（７４０ｎｍ）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

       將晶圓鍵合機鍵合后的樣品切割成４ｍｍ×５ｍｍ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

σ=Fmax/S

       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５．５３８ｋｇ，樣品鍵合面積為２０ｍｍ２，計算得到鍵合強度為２．７ＭＰａ，多次實驗證明，該晶圓鍵合機鍵合強度完全滿足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，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２７５ＭＨｚ時，能承受的最大電功率為８Ｗ／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(fā)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。