Использование лазеров для соединения компонентов полупроводниковой электроники

5 декабря 2022 г. диалог

Пол Сопенья и Дэвид Грохо

Сегодня лазеры прочно вошли в повседневную жизнь, хотя порой сложно сказать, что и где они находятся. Например, мы можем найти их в устройствах для чтения компакт-дисков/DVD или в медицинских приложениях, таких как рак и глазная хирургия, поскольку они являются важными инструментами в широком спектре междисциплинарных областей. Все это является результатом постоянного прогресса и развития, от первого рубинового лазера Меймана (1960 г.) до аттосекундных лазеров, прошедших через экзотические и забавные демонстрации, такие как лазеры Jell-O.

В стремлении постоянно получать более интенсивные источники ультракороткие лазеры (с импульсами в фемтосекундном режиме) представляли собой явный прорыв, поскольку они позволяли доставлять энергию высокой интенсивности в ограниченном пространстве на наноуровне. В частности, они позволяют вызывать явления нелинейного поглощения, что, например, позволяет локально модифицировать внутреннюю часть прозрачных материалов с низким тепловым балансом, недостижимым с помощью других лазерных источников. Некоторые демонстрации включают в себя запись волноводов в очках или создание сложных трехмерных узоров с помощью полимеров.

Сверхбыстрые лазеры открыли возможности для сварки сложенных друг на друга прозрачных материалов, облучая верхний слой и фокусируясь на границе раздела между ними. Высокая интенсивность приводит к почти мгновенному локальному плавлению и последующему повторному затвердеванию, смешиванию и склеиванию обоих материалов. Это было продемонстрировано на примере нескольких материалов, включая стекло, полимеры, керамику и металлы в различных конфигурациях.

Хотя сверхбыстрая лазерная сварка, несомненно, найдет немедленное применение в микроэлектронике, поразительно осознавать, что этот процесс напрямую не применим для соединения различных полупроводниковых деталей. Высокие интенсивности, необходимые для внутренней модификации стекла, приводят к сильным нелинейностям распространения в полупроводниках из-за их небольшой запрещенной зоны, которая имеет тенденцию к дефокусировке и делокализации интенсивного инфракрасного излучения.

Чтобы решить эту задачу, нам пришлось мыслить нестандартно, и то, что на первый взгляд казалось шагом назад, привело к успешной альтернативе. При скрытой нарезке кремниевых пластин инфракрасные наносекундные импульсы используются для создания дефектов внутри кремния, которые впоследствии служат слабыми местами для резки с ровными краями. Относительно длинные импульсы имеют меньшую интенсивность, чем ультракороткие, что позволяет избежать нежелательных нелинейностей распространения, но в то же время могут поглощаться в фокусе за счет двухфотонного поглощения. Исходя из этого, мы перешли к более длинным импульсам, используя эти внутренние модификации не как дефекты, а как точки прочной связи.

Во время наших первых испытаний сварки кремниевых деталей с использованием инфракрасной визуализации интерфейса мы обнаружили дополнительное ограничение. Если зазор на границе раздела практически отсутствует, включая условия оптического контакта, высокий показатель преломления, типичный для полупроводников, приводит к образованию полости Фабри-Перо, которая препятствует достижению достаточно высокой плотности энергии для плавления обоих материалов. Таким образом, для достижения успешной сварки необходим максимально плотный контакт между верхними и нижними материалами.

Создав правильные условия для обхода этих эффектов, мы успешно провели первую экспериментальную демонстрацию лазерной сварки кремний-кремний. После процесса оптимизации мы могли бы позже распространить этот подход на другие полупроводники, такие как арсенид галлия, в различных конфигурациях наряду с кремнием. Мы не только добились соединения между различными заготовками, но и достигли высоких значений силы сдвига, порядка нескольких десятков МПа. Эти значения хорошо сопоставимы с демонстрациями сверхкороткой лазерной сварки других материалов и используемыми в настоящее время методами соединения пластин.

Этот успешный эксперимент, опубликованный в журнале Laser & Photonics Reviews, подтверждает, что технологический барьер окончательно преодолен. По сравнению с альтернативными методами в полупроводниковой промышленности уникальным преимуществом лазерной микросварки является возможность соединять элементы со сложной архитектурой из нескольких материалов методом прямой записи, что в противном случае было бы невозможно. Это должно привести к появлению новых методов производства электроники, фотоники среднего инфракрасного диапазона и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Более того, мы предвидим потенциал новых концепций гибридных чипов, включая функции электроники и микрофлюидики для управления температурным режимом самых требовательных микротехнологий, таких как суперкомпьютеры или передовые датчики.