Физики применили лазер для сварки полупроводников

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, ученым пришлось мыслить нестандартно, и то, что сначала казалось шагом назад, привело к успешной альтернативе. При скрытой нарезке кремниевых пластин инфракрасные наносекундные импульсы используются для создания дефектов внутри кремния, которые позже служат слабыми местами для получения разрезов с чистыми краями. 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, специалисты перешли к более длинным импульсам, используя эти внутренние модификации не как дефекты, а как сильные точки связи.

Во время первых испытаний сварки кремниевых деталей с использованием инфракрасного изображения интерфейса ученые 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, ученые успешно провели первую экспериментальную демонстрацию кремниево-кремниевой лазерной сварки. После процесса оптимизации специалисты могли бы распространить этот подход на другие полупроводники, такие как арсенид галлия, в различных конфигурациях наряду с кремнием. Ученые 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, опубликованный в журнале Laser & Photonics Reviews, подтверждает, что технологический барьер окончательно преодолен. Уникальным преимуществом лазерной микросварки по сравнению с альтернативными методами в полупроводниковой промышленности является возможность соединения элементов со сложной многокомпонентной архитектурой методом прямой записи, что иначе было бы невозможно. Это должно привести к появлению новых способов производства электроники, фотоники среднего инфракрасного диапазона и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Кроме того, есть потенциал для новых концепций гибридных чипов, включая функции электроники и микрофлюидики для управления температурой самых требовательных микротехнологий, таких как суперкомпьютеры или усовершенствованные датчики.