Laser sind heute im täglichen Leben fest etabliert, auch wenn manchmal schwer zu sagen ist, was und wo sie sind. Beispielsweise finden wir sie in CD/DVD-Lesegeräten oder medizinischen Anwendungen wie Krebs- und Augenchirurgie, die wesentliche Werkzeuge in einer Vielzahl multidisziplinärer Bereiche sind. All dies ist das Ergebnis eines ständigen Fortschritts und einer ständigen Weiterentwicklung, vom ersten Rubinlaser von Maiman (1960) bis hin zu den Attosekundenlasern, die durch exotische, lustige Demonstrationen wie Jell-O-Laser geführt wurden.
Auf der Suche nach immer intensiveren Quellen stellten Ultrakurzlaser (mit Pulsen im Femtosekundenbereich) einen klaren Durchbruch dar, da sie eine hochintensive Abgabe auf engstem Raum im Nanobereich ermöglichten. Insbesondere ermöglichen sie die Induzierung nichtlinearer Absorptionsphänomene, die es beispielsweise ermöglichen, das Innere von transparenten Materialien mit einem geringen thermischen Budget lokal zu modifizieren, was mit anderen Laserquellen nicht erreichbar ist. Einige Demonstrationen beinhalten Wellenleiter, die in Gläser schreiben oder komplexe 3D-Muster mit Polymeren erzeugen.
Ultraschnelle Laser öffneten die Tür, um gestapelte transparente Materialien zu schweißen, indem sie durch das oberste einstrahlten und sich auf die Grenzfläche zwischen ihnen konzentrierten. Die hohe Intensität führt zu einem fast sofortigen lokalen Schmelzen und anschließenden Wiederverfestigen, Mischen und Verbinden beider Materialien. Dies wurde mit mehreren Materialien demonstriert, darunter Gläser, Polymere, Keramiken und Metalle in verschiedenen Konfigurationen.
Während das ultraschnelle Laserschweißen sicherlich unmittelbare Anwendungen in der Mikroelektronik finden würde, fällt auf, dass das Verfahren nicht direkt auf das Verbinden verschiedener Halbleiterwerkstücke anwendbar ist. Die für die interne Glasmodifikation 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 zu meistern, mussten wir über den Tellerrand schauen, und was zunächst wie ein Rückschritt aussah, führte zu einer erfolgreichen Alternative. Beim Stealth-Dicing von Siliziumwafern werden Nanosekunden-Infrarotimpulse verwendet, um Defekte im Silizium zu erzeugen, die später als Schwachstellen dienen, um saubere Schnitte zu erzeugen. Die relativ langen Pulse haben geringere Intensitäten als ultrakurze Pulse, wodurch unerwünschte Ausbreitungsnichtlinearitäten vermieden werden, können aber gleichzeitig durch Zwei-Photonen-Absorption im Brennpunkt absorbiert werden. Auf dieser Grundlage gingen wir zu längeren Impulsen über, wobei wir diese internen Modifikationen nicht als Defekte, sondern als starke Bindungspunkte verwendeten.
Während unserer ersten Versuche zum Schweißen von Siliziumstücken durch den Einsatz von Infrarotbildgebung der Grenzfläche stellten wir eine zusätzliche Einschränkung fest. Sofern der Spalt an der Grenzfläche nicht vorhanden ist, einschließlich optischer Kontaktbedingungen, führt der für Halbleiter typische hohe Brechungsindex zu einem Fabry-Perot-Hohlraum, der das Erreichen einer ausreichend hohen Energiedichte zum Schmelzen beider Materialien verhindert. Somit ist der engste Kontakt zwischen dem oberen und dem unteren Material notwendig, um ein erfolgreiches Schweißen zu erreichen.
Nachdem wir die richtigen Bedingungen geschaffen hatten, um diese Effekte zu umgehen, haben wir erfolgreich die erste experimentelle Demonstration des Silizium-Silizium-Laserschweißens durchgeführt. Nach einem Optimierungsprozess konnten wir diesen Ansatz später auf andere Halbleiter wie Galliumarsenid in verschiedenen Konfigurationen neben Silizium ausdehnen. Wir erreichten nicht nur eine Verbindung zwischen verschiedenen Werkstücken, sondern erreichten dabei auch starke Scherkräfte in der Größenordnung von mehreren zehn MPa. Diese Werte lassen sich gut mit Ultrakurzlaser-Schweißdemonstrationen anderer Materialien und den derzeit verwendeten Techniken des Waferbondens vergleichen.
Dieses erfolgreiche Experiment, jetzt veröffentlicht in Laser- und Photonik-Rezensionen, bestätigt eine definitiv aufgehobene technologische Barriere. Ein einzigartiger Vorteil des Lasermikroschweißens im Vergleich zu alternativen Methoden in der Halbleiterindustrie ist die Möglichkeit, Elemente mit komplexen Multimaterialarchitekturen direkt schreibend 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 der anspruchsvollsten Mikrotechnologien, wie Supercomputer oder fortschrittliche Sensoren.
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Mehr Informationen:
Pol Sopeña et al, Transmissionslaserschweißen von ähnlichen und unähnlichen Halbleitermaterialien, Laser- und Photonik-Rezensionen (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 Lösungen für die Halbleiterverarbeitung konzentriert. David Grojo ist festangestellter CNRS-Wissenschaftler, der neue und aufregende Möglichkeiten untersucht, Materialeigenschaften mit nicht-konventionellen Strahlungen maßzuschneidern. Seine Aktivitäten werden durch einen ERC Consolidator Grant der Excellence Science Säule des European Research Council (cordis.europa.eu/project/id/724480) finanziert.