レーザーを使用した半導体電子部品の接合

2022 年 12 月 5 日のダイアログ

ポル・ソペーニャとデヴィッド・グロホ著

今日、レーザーは日常生活にすっかり定着していますが、それがどこに何なのかを見分けるのが難しい場合もあります。 一例として、これらは CD/DVD リーダーや、がんや眼科手術などの医療用途に使用されており、広範囲にわたる学際的な分野で不可欠なツールとなっています。 これらすべては、最初のマイマンのルビー レーザー (1960 年) から、ジェロ レーザーのようなエキゾチックで面白いデモンストレーションを経て、アト秒レーザーに至るまで、たゆまぬ進歩と開発の結果です。

より強力な光源を継続的に取得する探求において、超短レーザー (フェムト秒領域のパルス) は、ナノスケールの狭い空間での高強度の照射を可能にするため、明らかな画期的な進歩となりました。 特に、非線形吸収現象の誘発を可能にし、例えば、他のレーザー源では達成できない低い熱バジェットで透明材料の内部を局所的に変更することが可能になります。 いくつかのデモンストレーションには、ガラスに導波路を書き込んだり、ポリマーを使用して 3D の複雑なパターンを作成したりするものが含まれます。

超高速レーザーは、上部のレーザーから照射し、それらの間の界面に焦点を当てることにより、積層された透明材料を溶接するための扉を開きました。 強度が高いため、ほぼ瞬時に局所的に溶融し、その後、両方の材料が再凝固、混合、結合します。 これは、さまざまな構成のガラス、ポリマー、セラミック、金属などのいくつかの材料で実証されました。

超高速レーザー溶接はマイクロエレクトロニクスにすぐに応用できることは間違いありませんが、このプロセスがさまざまな半導体ワークピースの接合に直接適用できないことは驚くべきことです。 内部ガラスの改質に必要な高強度は、バンドギャップが小さいため、半導体内に強い伝播非線形性をもたらし、これにより、強力な赤外線放射の焦点がぼけ、非局在化する傾向があります。

この課題に取り組むために、私たちは既成概念にとらわれずに考える必要があり、最初は一歩後退しているように見えましたが、結果として成功した代替案が生まれました。 シリコンウェーハのステルスダイシングでは、赤外線ナノ秒パルスを使用してシリコン内部に欠陥を作成し、それが後にきれいなエッジカットを生成するための弱点として機能します。 比較的長いパルスは超短パルスより強度が低いため、望ましくない伝播非線形性が回避されますが、同時に 2 光子吸収によって焦点で吸収される可能性があります。 これに基づいて、これらの内部修飾を欠陥としてではなく、強力な結合点として使用して、より長いパルスに移行しました。

界面の赤外線イメージングを使用してシリコン片を溶接する最初の試行中に、追加の制約が見つかりました。 光学的接触条件を含め、界面のギャップがほとんど存在しない場合を除き、半導体に特有の高い屈折率によりファブリペロー共振器が発生し、両方の材料を溶融するのに十分な高いエネルギー密度に達することが妨げられます。 したがって、溶接を成功させるには、上部と底部の材料が最も緊密に接触する必要があります。

これらの影響を回避する適切な条件を設定した後、シリコン-シリコンレーザー溶接の最初の実験的デモンストレーションに成功しました。 最適化プロセスの後、このアプローチをシリコンと並んで異なる構成のガリウムヒ素などの他の半導体に拡張することができます。 異なるワーク間の接合を実現するだけでなく、数十MPaオーダーの強いせん断強度に達しながら接合を実現しました。 これらの値は、他の材料の超短レーザー溶接のデモンストレーションや、現在使用されているウェーハ接合技術とよく比較されます。

この成功した実験は現在「Laser & Photonics Reviews」に掲載されており、技術的な障壁が決定的に取り除かれたことを裏付けています。 半導体業界の代替方法と比較した場合、レーザーマイクロウェルディングの独特な利点は、他の方法では不可能な直接書き込み方式で複雑なマルチマテリアル構造の要素を接合できることです。 これは、エレクトロニクス、中赤外フォトニクス、および微小電気機械システム (MEMS) における製造のための新しい様式につながるはずです。 さらに、スーパーコンピューターや高度なセンサーなど、最も要求の厳しいマイクロテクノロジーの熱管理のためのエレクトロニクス機能やマイクロ流体機能など、ハイブリッドチップの新たなコンセプトの可能性を想定しています。

このストーリーは、研究者が出版された研究論文からの発見を報告できる Science X Dialog の一部です。 ScienceX Dialog と参加方法については、このページをご覧ください。

詳しくは： Pol Sopeña 他、類似および異種半導体材料の透過レーザー溶接、レーザーおよびフォトニクスのレビュー (2022)。 DOI: 10.1002/lpor.202200208

Pol Sopeña 博士と David Grojo 博士は、フランスのマルセイユにある LP3 研究所の研究者です。 LP3 は、フランス国立科学研究センター (CNRS) とエクス マルセイユ大学の共同ユニットです。 博士号取得後はバルセロナ大学のポル・ソペーニャ氏は、LP3 に博士研究員として入社し、現在は新しい半導体処理ソリューションの研究に集中しています。 David Grojo は、CNRS の常勤科学者であり、従来とは異なる放射線を使用して材料特性を調整する新しい刺激的な機会を研究しています。 彼の活動は、欧州研究評議会の卓越科学部門からの ERC Consolidator Grant によって資金提供されています (cordis.europa.eu/project/id/724480)。