CN110649153B - 一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法 - Google Patents

一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及声光器件技术领域，具体涉及一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法，一种多层金属薄膜键合层结构，包括：压电晶片和锗砷硒GeAsSe玻璃，其特征在于，分别在GeAsSe玻璃和压电晶片表面依次镀制Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合在一起形成Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。本发明采用Cr、Al、Ti、Sn金属膜层代替传统的Cr、Sn薄膜结构，使得键合层与GeAsSe玻璃之间的的附着力大大增强；压电晶片与GeAsSe玻璃的剪切强度提高；声光器件切割后压电晶片附着牢固，器件可靠性和成品率得到有效提升。

Description

一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及声光器件，具体涉及一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法。
背景技术
GeAsSe玻璃具有较宽的红外透过范围、较好的化学稳定性和热稳定性，近年来广泛用于制造红外波段声光器件。GeAsSe玻璃和压电晶片采用扩散键合工艺粘接到一起，在GeAsSe玻璃和压电晶片之间需要镀若干金属膜层，统称键合层，传统GeAsSe声光器件键合层结构和键合过程示意图如图1所示。首先在GeAsSe玻璃和压电晶片表面分别镀制键合层，打底层薄膜通常为铬Cr膜，然后在Cr膜上镀一层比较软的金属膜，如锡Sn膜、锡合金膜等，最后使GeAsSe玻璃和压电晶片接触并通过键合设备施加压力，两者在界面原子的扩散作用下完成键合。
由于GeAsSe玻璃表面张力大、润湿性差，传统制作工艺存在以下问题：
1、Cr、Sn薄膜与GeAsSe玻璃的附着力低，Cr、Sn薄膜容易脱落。
2、采用Cr、Sn薄膜键合的压电晶片剪切强度低。
3、器件切割工序中，压电晶片经常出现翘曲、脱落情况，器件可靠性和成品率无法保证。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法。
一种多层金属薄膜键合层结构，包括：压电晶片和锗砷硒GeAsSe玻璃，GeAsSe玻璃上表面从下往上依次镀制有Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，压电晶片下表面从上往下依次镀制有Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合在一起形成Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。
一种制备一种多层金属薄膜键合层结构的方法，制备步骤包括：
S1、依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗GeAsSe玻璃，依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗压电晶片；
S2、采用氧等离子体清洗GeAsSe玻璃和压电晶片表面；
S3、将GeAsSe玻璃和压电晶片固定在镀膜机内，分别在GeAsSe玻璃和压电晶片表面依次镀制Cr膜层、Al膜层、Ti膜层和Sn膜层；
S4、通过键合设备将GeAsSe玻璃和压电晶片对准、接触、加压、保压，完成GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合。
本发明的有益效果：
本发明分别在GeAsSe玻璃和压电晶片的表面依次镀制Cr膜、Al膜、Ti膜和Sn膜，制作成Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，再通过GeAsSe玻璃上的Sn膜和压电晶片上的Sn膜键合在一起，器件键合后形成Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。本发明采用Cr、Al、Ti、Sn金属膜层代替传统的Cr、Sn薄膜结构，使得键合层与GeAsSe玻璃之间的的附着力大大增强；压电晶片与GeAsSe玻璃的剪切强度提高至原来的3倍；声光器件切割后压电晶片附着牢固，切割边缘整齐、陡直，没有翘曲、脱落现象，器件可靠性和成品率得到有效提升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为传统GeAsSe声光器件键合层结构和键合过程示意图。
图2为传统Cr、Sn薄膜结构键合的压电晶片剪切力测试曲线。
图3为本发明实施例形成的Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。
图4为本发明实施例的GeAsSe声光器件键合层结构和键合过程示意图。
(a)是Cr、Al、Ti、Sn金属膜层结构；(b)是Cr、Al、Ti、Sn键合过程示意图。
图5为本发明实施例的Cr、Al、Ti、Sn金属膜层键合的压电晶片剪切力测试曲线。
参数含义解释：纵坐标Forge表示施加剪切力的数值，横坐标Time表示施加剪切力的时间。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，常见的GeAsSe声光器件键合层结构包括：
常见的GeAsSe声光器件键合过程包括：在GeAsSe玻璃上表面自下而上依次镀制Cr膜、Sn膜，在压电晶片下表面自上而下依次镀制Cr膜、Sn膜，铬Cr膜为打底层薄膜，然后在Cr膜上镀一层比较软的金属膜，如锡Sn膜、锡合金膜等，最后使GeAsSe玻璃和压电晶片接触并通过键合设备施加压力，两者在界面原子的扩散作用下完成键合。由于GeAsSe玻璃表面张力大、润湿性差，这种传统制作工艺存在以下问题：
1、Cr、Sn薄膜与GeAsSe玻璃的附着力低。采用胶带快速拉起的方法测试附着力，将3M胶带(型号610)紧贴膜层表面，沿垂直方向迅速拉起，发现Cr、Sn薄膜容易拉掉。
2、采用Cr、Sn薄膜结构键合的压电晶片剪切强度低。剪切力测试曲线如图2所示，样品失效剪切力为5.9Kg，样品键合面积为112mm2，计算得到剪切强度为0.5MPa。
3、器件切割工序中，压电晶片经常出现翘曲、脱落情况，器件可靠性和成品率无法保证。
如图3所示，在本发明的一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法中，作为一种优选实施方式，一种多层金属薄膜键合层结构具体包括：压电晶片和锗砷硒GeAsSe玻璃，所述GeAsSe玻璃上表面从下往上依次镀制有Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，压电晶片下表面从上往下依次镀制有Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合在一起形成Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。
进一步的，GeAsSe玻璃和压电晶片的Cr膜层厚度为20～50nm，GeAsSe玻璃和压电晶片的Al膜层的厚度为50～100nm，GeAsSe玻璃和压电晶片的Ti膜层厚度为20～50nm，GeAsSe玻璃和压电晶片的Sn膜层厚度为500～1500nm。
进一步的，所述压电晶片采用的材料包括：铌酸锂或/和钽酸锂。
在本发明的一种多层金属薄膜键合层结构及其制备方法中，作为一种优选实施方式，多层金属薄膜键合层结构的制备方法可采用以下实现方式：
S1、依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗GeAsSe玻璃和压电晶片表面。
S2、采用氧等离子体清洗GeAsSe玻璃和压电晶片表面。
S3、将GeAsSe玻璃和压电晶片固定在镀膜机内，分别在GeAsSe玻璃和压电晶片表面依次镀制Cr膜层、Al膜层、Ti膜层和Sn膜层，如示意图4中(a)所示，其中Cr膜层、Al膜层和Ti膜层采用溅射工艺镀制，Sn膜层采用蒸发工艺镀制。
S4、通过键合设备将GeAsSe玻璃和压电晶片对准、接触、加压、保压完成键合，如示意图4中(b)所示，器件键合后形成Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。
进一步的，所述完成GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合包括将GeAsSe玻璃上的Sn膜层和压电晶片上的Sn膜层横截面对齐，利用两者界面原子的扩散作用，通过键合设备施加压力完成键合。
进一步的，通过键合设备对GeAsSe玻璃和压电晶片进行键合的键合压强为20～25MPa，保压时间为20～30min，键合温度为60～120℃。
本发明器件采用Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构为键合层代替Cr、Sn、Cr薄膜结构的键合层，可以解决GeAsSe玻璃、压电晶片和键合层之间附着力低、压电晶片剪切强度低的问题，可有效提升器件的可靠性和成品率。
本实施例中，检测本发明的各个性能检测及检测效果如下：
1、Cr、Al、Ti、Sn金属膜层与GeAsSe玻璃附着力提高。采用胶带快速拉起的方法测试附着力，将型号为610的3M胶带紧贴膜层表面，沿垂直方向迅速拉起，重复10次，膜层没有脱落现象。
2、压电晶片与GeAsSe玻璃的剪切强度提高至原来的3倍。剪切力测试曲线如图5所示，样品失效剪切力为18Kg，样品键合面积为112mm2，计算得到剪切强度为1.6MPa。
3、器件切割后压电晶片附着牢固，切割边缘整齐、陡直，没有翘曲、脱落现象，器件可靠性和成品率得到有效提升。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“下”、“一侧”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多层金属薄膜键合层结构，包括：压电晶片和锗砷硒GeAsSe玻璃，其特征在于，GeAsSe玻璃上表面从下往上依次镀制有Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，压电晶片下表面从上往下依次镀制有Cr、Al、Ti、Sn金属膜层，GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合在一起形成Cr、Al、Ti、Sn、Ti、Al、Cr七层金属膜键合层结构。
2.根据权利要求1所述一种多层金属薄膜键合层结构，其特征在于，GeAsSe玻璃和压电晶片的Cr膜层厚度为20～50nm，GeAsSe玻璃和压电晶片的Al膜层的厚度为50～100nm，GeAsSe玻璃和压电晶片的Ti膜层厚度为20～50nm，GeAsSe玻璃和压电晶片的Sn膜层厚度为500～1500nm。
3.根据权利要求1所述一种多层金属薄膜键合层结构，其特征在于，所述压电晶片采用的材料包括：铌酸锂或/和钽酸锂。
4.一种制备如权利要求1-3任一所述多层金属薄膜键合层结构的方法，其特征在于，包括：
S1、依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗GeAsSe玻璃，依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗压电晶片；
S2、采用氧等离子体清洗GeAsSe玻璃和压电晶片表面；
S3、将GeAsSe玻璃和压电晶片固定在镀膜机内，分别在GeAsSe玻璃和压电晶片表面依次镀制Cr膜层、Al膜层、Ti膜层和Sn膜层；
S4、通过键合设备将GeAsSe玻璃和压电晶片对准、接触、加压、保压，完成GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Cr膜层、Al膜层和Ti膜层采用溅射工艺镀制，Sn膜层采用蒸发工艺镀制。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述完成GeAsSe玻璃的Sn膜层和压电晶片的Sn膜层键合包括将GeAsSe玻璃上的Sn膜层和压电晶片上的Sn膜层横截面对齐，利用两者界面原子的扩散作用，通过键合设备施加压力完成键合。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，对GeAsSe玻璃及压电晶片的清洗为超声清洗。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，键合压强为20～25MPa，键合温度为60～120℃，保压时间为20～30min。
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