Einsatz von Lasern zum Bonden von Halbleiterelektronikbauteilen

Dialog vom 5. Dezember 2022

von Pol Sopeña und David Grojo

Heutzutage sind Laser im täglichen Leben fest etabliert, auch wenn es manchmal schwierig ist zu sagen, was und wo sie sich befinden. Wir finden sie beispielsweise in CD-/DVD-Lesegeräten oder in medizinischen Anwendungen wie Krebs und Augenchirurgie und sind unverzichtbare Werkzeuge in einer Vielzahl multidisziplinärer Bereiche. All dies ist das Ergebnis ständigen Fortschritts und Weiterentwicklung, vom ersten Maiman-Rubinlaser (1960) über den Attosekundenlaser bis hin zu exotischen, lustigen Demonstrationen wie Jell-O-Lasern.

Auf der Suche nach immer intensiveren Quellen stellten ultrakurze Laser (mit Pulsen im Femtosekundenbereich) einen klaren Durchbruch dar, da sie die Abgabe hoher Intensität auf engstem Raum im Nanobereich ermöglichten. Insbesondere ermöglichen sie die Erzeugung nichtlinearer Absorptionsphänomene, die beispielsweise eine lokale Veränderung des Inneren transparenter Materialien mit einem geringen thermischen Budget ermöglichen, was mit anderen Laserquellen nicht erreichbar ist. Einige Demonstrationen umfassen das Schreiben von Wellenleitern in Gläser oder das Erstellen komplexer 3D-Muster mit Polymeren.

Ultraschnelle Laser öffneten die Tür zum Schweißen gestapelter transparenter Materialien, indem sie durch das obere strahlten und sich auf die Grenzfläche zwischen ihnen konzentrierten. Die hohe Intensität führt zu einem nahezu sofortigen lokalen Schmelzen und anschließender Wiederverfestigung, Vermischung und Verbindung beider Materialien. Dies wurde mit mehreren Materialien demonstriert, darunter Gläser, Polymere, Keramik und Metalle in verschiedenen Konfigurationen.

Während ultraschnelles Laserschweißen sicherlich unmittelbare Anwendungen in der Mikroelektronik finden würde, ist es erstaunlich, dass das Verfahren nicht direkt auf das Verbinden verschiedener Halbleiterwerkstücke anwendbar ist. Die für die interne Glasmodifizierung erforderlichen hohen Intensitäten führen aufgrund ihrer kleinen Bandlücke zu starken Ausbreitungsnichtlinearitäten in Halbleitern, die dazu neigen, intensive Infrarotstrahlung zu defokussieren und zu delokalisieren.

Um diese Herausforderung anzugehen, mussten wir über den Tellerrand schauen, und was zunächst wie ein Rückschritt schien, führte zu einer erfolgreichen Alternative. Beim heimlichen Zerteilen von Siliziumwafern werden Infrarot-Nanosekundenimpulse verwendet, um Defekte im Inneren des Siliziums zu erzeugen, die später als Schwachstellen für saubere Schnittkanten dienen. Die relativ langen Impulse haben geringere Intensitäten als ultrakurze Impulse, wodurch unerwünschte Ausbreitungsnichtlinearitäten vermieden werden, können aber gleichzeitig im Brennpunkt durch Zwei-Photonen-Absorption absorbiert werden. Auf dieser Grundlage sind wir zu längeren Pulsen übergegangen und haben diese internen Modifikationen nicht als Defekte, sondern als starke Bindungspunkte genutzt.

Bei unseren ersten Versuchen, Siliziumstücke zu schweißen, bei denen wir Infrarotaufnahmen der Grenzfläche verwendeten, stellten wir eine zusätzliche Einschränkung fest. Sofern der Spalt an der Grenzfläche nicht nahezu nicht vorhanden ist, einschließlich optischer Kontaktbedingungen, führt der für Halbleiter typische hohe Brechungsindex zu einem Fabry-Perot-Hohlraum, der das Erreichen einer Energiedichte verhindert, die hoch genug ist, um beide Materialien zu schmelzen. Daher ist für eine erfolgreiche Schweißung ein möglichst enger Kontakt zwischen Ober- und Untermaterial erforderlich.

Nachdem wir die richtigen Bedingungen zur Umgehung dieser Effekte geschaffen hatten, führten wir erfolgreich die erste experimentelle Demonstration des Silizium-Silizium-Laserschweißens durch. Nach einem Optimierungsprozess könnten wir diesen Ansatz später auf andere Halbleiter wie Galliumarsenid in anderen Konfigurationen neben Silizium ausweiten. Wir erreichten nicht nur eine Verbindung zwischen verschiedenen Werkstücken, sondern erzielten dabei auch hohe Scherkraftfestigkeiten in der Größenordnung von mehreren zehn MPa. Diese Werte lassen sich gut mit Demonstrationen zum ultrakurzen Laserschweißen anderer Materialien und den derzeit verwendeten Techniken des Waferbondens vergleichen.

Dieses erfolgreiche Experiment, das jetzt in Laser & Photonics Reviews veröffentlicht wurde, bestätigt eine technologische Barriere, die endgültig überwunden wurde. Im Vergleich zu alternativen Methoden in der Halbleiterindustrie besteht ein einzigartiger Vorteil des Lasermikroschweißens in der Möglichkeit, Elemente mit komplexen Multimaterialarchitekturen direkt zu verbinden, was sonst nicht möglich wäre. Dies sollte zu neuen Modalitäten für die Fertigung in den Bereichen Elektronik, Mittelinfrarot-Photonik und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) führen. Darüber hinaus sehen wir das Potenzial für die aufkommenden Konzepte von Hybridchips, einschließlich Elektronik- und Mikrofluidikfunktionen für das Wärmemanagement anspruchsvollster Mikrotechnologien wie Supercomputer oder fortschrittliche Sensoren.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Mehr Informationen: Pol Sopeña et al, Transmission Laser Welding of Similar and Dissimilar Semiconductor Materials, Laser & Photonics Reviews (2022). DOI: 10.1002/lpor.202200208

Dr. Pol Sopeña und Dr. David Grojo sind Forscher im LP3-Labor in Marseille, Frankreich. LP3 ist eine gemeinsame Einheit des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und der Universität Aix-Marseille. Nach dem Erwerb eines Ph.D. An der Universität Barcelona kam Pol Sopeña als Postdoktorand zu LP3, wo er sich nun auf neue Halbleiterverarbeitungslösungen konzentriert. David Grojo ist festangestellter CNRS-Wissenschaftler und untersucht neue und aufregende Möglichkeiten, Materialeigenschaften mit nichtkonventionellen Strahlungen anzupassen. Seine Aktivitäten werden durch einen ERC Consolidator Grant aus der Säule „Excellence Science“ des Europäischen Forschungsrats finanziert (cordis.europa.eu/project/id/724480).