Utilisation de lasers pour lier des composants électroniques à semi-conducteurs

Aujourd’hui, les lasers sont bien implantés dans la vie quotidienne, même s’il est parfois difficile de dire quoi et où ils se trouvent. Par exemple, nous pouvons les trouver dans des lecteurs de CD/DVD ou des applications médicales comme le cancer et la chirurgie oculaire, étant des outils essentiels dans une vaste gamme de domaines multidisciplinaires. Tout cela est le résultat d’un progrès et d’un développement constants, du premier laser à rubis de Maiman (1960) aux lasers attosecondes, en passant par des démonstrations exotiques et amusantes comme les lasers Jell-O.

Dans la quête d’obtenir constamment des sources plus intenses, les lasers ultracourts (avec des impulsions en régime femtoseconde) ont représenté une nette avancée, car ils permettaient une délivrance à haute intensité dans des espaces confinés à l’échelle nanométrique. En particulier, ils permettent d’induire des phénomènes d’absorption non linéaires qui permettent par exemple de modifier localement l’intérieur de matériaux transparents avec un faible budget thermique, non réalisable avec d’autres sources laser. Certaines démonstrations incluent des guides d’ondes écrivant dans des verres ou créant des motifs complexes en 3D avec des polymères.

Les lasers ultrarapides ont ouvert la porte au soudage de matériaux transparents empilés en irradiant à travers celui du haut et en se concentrant sur l’interface entre eux. La haute intensité entraîne une fusion locale presque instantanée et une resolidification, un mélange et une liaison ultérieurs des deux matériaux. Cela a été démontré avec plusieurs matériaux, notamment des verres, des polymères, des céramiques et des métaux dans diverses configurations.

Alors que le soudage laser ultrarapide trouverait sûrement des applications immédiates en microélectronique, il est frappant de constater que le procédé n’est pas directement applicable au collage de différentes pièces semi-conductrices. Les hautes intensités requises pour la modification interne du verre entraînent de fortes non-linéarités de propagation dans les semi-conducteurs en raison de leur faible bande interdite, qui tend à défocaliser et à délocaliser le rayonnement infrarouge intense.

Afin de relever ce défi, nous avons dû sortir des sentiers battus, et ce qui semblait au début être un pas en arrière a abouti à une alternative réussie. Dans la découpe furtive des tranches de silicium, des impulsions infrarouges nanosecondes sont utilisées pour créer des défauts à l’intérieur du silicium qui servent ensuite de points faibles pour produire des coupes nettes. Les impulsions relativement longues ont des intensités inférieures à celles ultracourtes, évitant les non-linéarités de propagation indésirables, mais en même temps, peuvent être absorbées au point focal par absorption à deux photons. Sur cette base, nous sommes passés à des impulsions plus longues en utilisant ces modifications internes non pas comme des défauts mais comme des points de liaison forts.

Lors de nos premiers essais de soudage de pièces en silicium, en utilisant l’imagerie infrarouge de l’interface, nous avons trouvé une contrainte supplémentaire. À moins que l’écart à l’interface soit presque inexistant, y compris les conditions de contact optique, l’indice de réfraction élevé typique des semi-conducteurs se traduit par une cavité Fabry-Perot qui empêche d’atteindre une densité d’énergie suffisamment élevée pour faire fondre les deux matériaux. Ainsi, le contact le plus intime entre les matériaux supérieur et inférieur est nécessaire pour obtenir une soudure réussie.

Après avoir mis en place les bonnes conditions pour contourner ces effets, nous avons réussi la première démonstration expérimentale de soudage laser silicium-silicium. Après un processus d’optimisation, nous pourrions ensuite étendre cette approche à d’autres semi-conducteurs tels que l’arséniure de gallium dans différentes configurations aux côtés du silicium. Non seulement nous avons réalisé des liaisons entre différentes pièces, mais nous l’avons fait en atteignant de fortes forces de cisaillement de l’ordre de plusieurs dizaines de MPa. Ces valeurs se comparent bien aux démonstrations de soudage au laser ultracourt d’autres matériaux et aux techniques actuellement utilisées de collage de plaquettes.

Cette expérience réussie, maintenant publiée dans Avis sur le laser et la photonique, confirme une barrière technologique définitivement levée. Par rapport aux méthodes alternatives dans l’industrie des semi-conducteurs, un avantage unique du micro-soudage au laser est la capacité de joindre des éléments avec des architectures multi-matériaux complexes d’une manière d’écriture directe qui ne serait pas possible autrement. Cela devrait conduire à de nouvelles modalités de fabrication dans l’électronique, la photonique dans l’infrarouge moyen et les systèmes microélectromécaniques (MEMS). Par ailleurs, nous envisageons le potentiel des concepts émergents de puces hybrides, incluant des fonctions électroniques et microfluidiques pour la gestion thermique des micro-technologies les plus exigeantes, comme les super-ordinateurs ou les capteurs avancés.

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Le Dr Pol Sopeña et le Dr David Grojo sont chercheurs au laboratoire LP3 situé à Marseille, France. Le LP3 est une unité mixte entre le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et Aix-Marseille Université. Après avoir obtenu un doctorat. à l’Université de Barcelone, Pol Sopeña a rejoint LP3 en tant que boursier postdoctoral où il concentre désormais ses travaux sur les nouvelles solutions de traitement des semi-conducteurs. David Grojo est un scientifique permanent du CNRS qui étudie de nouvelles opportunités passionnantes pour adapter les propriétés des matériaux aux rayonnements non conventionnels. Ses activités sont financées par une bourse ERC Consolidator Grant du pilier Excellence Science du Conseil européen de la recherche (cordis.europa.eu/project/id/724480).