Использование лазеров для соединения компонентов полупроводниковой электроники

Сегодня лазеры прочно вошли в повседневную жизнь, хотя иногда трудно сказать, что и где они находятся. Например, мы можем найти их в устройствах для чтения CD/DVD или медицинских приложениях, таких как рак и глазная хирургия, которые являются важными инструментами в широком спектре междисциплинарных областей. Все это результат постоянного прогресса и развития, от первого рубинового лазера Меймана (1960) до аттосекундных лазеров, проходящих через экзотические, забавные демонстрации вроде лазеров Jell-O.

В стремлении постоянно получать более интенсивные источники сверхкороткие лазеры (с импульсами в фемтосекундном режиме) представляли собой явный прорыв, поскольку они позволяли осуществлять доставку 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 другими лазерными источниками. Некоторые демонстрации включают запись волноводов в очках или создание сложных трехмерных узоров с помощью полимеров.

Сверхбыстрые лазеры открыли дверь для сварки штабелированных прозрачных материалов, излучая через верхний 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 нескольких материалах, включая стекла, полимеры, керамику и металлы в различных конфигурациях.

Хотя сверхбыстрая лазерная сварка, несомненно, найдет немедленное применение в микроэлектронике, поразительно осознавать, что этот процесс не применим напрямую для соединения различных полупроводниковых деталей. Высокая интенсивность, необходимая для внутренней модификации стекла, приводит к сильной нелинейности распространения в полупроводниках из-за их малой ширины запрещенной зоны, которая имеет тенденцию к расфокусировке и делокализации интенсивного инфракрасного излучения.

Чтобы справиться с этой задачей, нам пришлось мыслить нестандартно, и то, что сначала казалось шагом назад, привело к успешной альтернативе. При скрытом нарезании кремниевых пластин инфракрасные наносекундные импульсы используются для создания дефектов внутри кремния, которые впоследствии служат слабые точки для получения чистых краев. Относительно длинные импульсы имеют меньшую интенсивность, чем ультракороткие, что позволяет избежать нежелательной нелинейности распространения, но в то же время они могут поглощаться в фокальной точке за счет двухфотонного поглощения. Исходя из этого, мы перешли к более длинным импульсам, используя эти внутренние модификации не как дефекты, а как сильные точки связи.

Во время наших первых испытаний сварки кремниевых деталей с использованием инфракрасного изображения интерфейса мы обнаружили дополнительное ограничение. Если зазор на границе раздела почти 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 успешной сварки необходим максимально тесный контакт между верхним и нижним материалами.

После создания правильных условий, позволяющих обойти эти эффекты, мы успешно провели первую экспериментальную демонстрацию кремниево-кремниевой лазерной сварки. 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 склеивания между различными заготовками, но и сделали это, достигнув сильных сил сдвига порядка нескольких десятков МПа. Эти значения хорошо сопоставимы с демонстрацией ультракороткой лазерной сварки других материалов и используемых в настоящее время методов соединения пластин.

Этот успешный эксперимент, теперь опубликованный в Обзоры лазеров и фотоники, подтверждает технологический барьер, который был окончательно снят. По сравнению с альтернативными методами в полупроводниковая промышленностьуникальное преимущество лазер микросварка — это возможность соединять элементы со сложной архитектурой из нескольких материалов прямым способом записи, что было бы невозможно иначе. Это должно привести к появлению новых способов производства электроники, фотоники среднего инфракрасного диапазона и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Кроме того, мы предвидим потенциал для новых концепций гибридных чипов, включая функции электроники и микрофлюидики для управления температурой самых требовательных микротехнологий, таких как суперкомпьютеры или усовершенствованные датчики.

Эта история является частью Наука X Диалоггде исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных научных статей. Посетите эту страницу для получения информации о ScienceX Dialog и о том, как принять в нем участие.

Доктор Пол Сопенья и доктор Дэвид Грохо — исследователи из лаборатории LP3, расположенной в Марселе, Франция. LP3 является совместным подразделением Французского национального центра научных исследований (CNRS) и Экс-Марсельского университета. После получения докторской степени. Пол Сопенья из Университета Барселоны присоединился к LP3 в качестве постдокторанта, где сейчас он концентрирует свою работу на новых решениях для обработки полупроводников. Дэвид Грохо — постоянный научный сотрудник CNRS, исследующий новые и захватывающие возможности адаптации свойств материалов с помощью нетрадиционных излучений. Его деятельность финансируется за счет гранта ERC Consolidator от направления Excellence Science Европейского исследовательского совета (cordis.europa.eu/project/id/724480).