激光焊接是當(dāng)今現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵工藝。本文對相似和不同半導(dǎo)體材料的激光透射焊接的研究。

摘要： 激光微焊接是一種應(yīng)用于各個領(lǐng)域先進的制造方法。然而，到目前為止物理學(xué)限制阻礙了證明其在硅 (Si) 和其他技術(shù)必需的半導(dǎo)體材料中的適用性。針對強紅外光作用下窄間隙材料界面可傳遞能量密度的光學(xué)限制，首次實現(xiàn)了用納秒激光脈沖在 Si 工件間進行傳輸激光焊接的可行性論證。剪切連接強度為 32 ± 10 MPa ，與復(fù)雜的替代工藝相比是非常有利的。在包括砷化鎵在內(nèi)的不同材料組合上及重復(fù)實驗的支持下，證實了對于類似和不同的半導(dǎo)體都是可以實現(xiàn)的。演示依賴于小型光纖激光器，這一方面為高效靈活工藝的出現(xiàn)帶來了巨大的希望，有利于包括片上實驗室和混合半導(dǎo)體系統(tǒng)在內(nèi)的重要技術(shù)發(fā)展。

1介紹

激光焊接是當(dāng)今現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵工藝。從這個觀點出發(fā)，使用緊密聚焦的超短脈沖是一個重要的突破，它提供了在透明材料內(nèi)部三維空間的任何地方通過非線性吸收來實現(xiàn)能量沉積的能力。隨后高度局部化的材料熔化是飛秒激光焊接的基礎(chǔ)。各種成功演示的應(yīng)用包括穿過玻璃、穿過聚合物或穿過陶瓷的配置。雖然微鍵合肯定會在微電子學(xué)領(lǐng)域找到直接的應(yīng)用，但令人驚訝的是，這種工藝不能直接適用于將不同的半導(dǎo)體工件鍵合在一起。如今，通過引入吸收層(如金屬)，用粘合劑來解決這個問題，從而導(dǎo)致解決方案與最苛刻的應(yīng)用不兼容。

對于直接適用于硅(Si)和其他半導(dǎo)體的替代方法，可以參考晶圓分子鍵合。它包括適當(dāng)?shù)販蕚浜头胖脙蓚€晶圓在最親密的接觸，以便分子間的鍵出現(xiàn)在晶圓。然而，在通過熱退火、表面等離子體活化或應(yīng)用電場等工藝增強粘接之前，所得到的粘接強度仍然相對較低(幾kPa)。這產(chǎn)生了典型的粘結(jié)強度，在幾個MPa的順序和性能水平適合一些高要求的應(yīng)用。

然而，該技術(shù)的一個主要缺點是需要在潔凈室環(huán)境中進行大量繁瑣的步驟來組裝功能性裝置。在這種情況下，激光微焊接這種更直接的技術(shù)對于增加靈活性和制造當(dāng)前方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體系統(tǒng)仍然是非常需要的。

2結(jié)果與討論

2.1光接觸的前提條件

為了證明激光焊接Si的可行性并揭示關(guān)鍵參數(shù)，我們使用摻鉺光纖源在1550 nm波長發(fā)射持續(xù)時間< 5ns的脈沖，對兩個相互堆疊的高純度Si樣品(雙面拋光)之間的界面進行了輻照;這是硅的全透明域。利用前面提到的工作，證明了在緊聚焦條件下Si內(nèi)部局部能量沉積的可能性，但也可能存在嚴重的非線性焦移，需要對加工區(qū)域定位進行預(yù)先補償，我們首先集中在z-掃描程序上。實驗方法如圖1a所示。簡而言之，它包括在0.45 NA(數(shù)值孔徑)聚焦條件下，以最大可用能量(目標上11 μJ)和重復(fù)頻率(1 kHz)重復(fù)1000次施加脈沖的單點照射。通過這種方式，我們產(chǎn)生了可以通過紅外透射顯微原位觀察到的對比度良好的修飾。在圖1b,c中，我們可以從側(cè)面看到兩個晶圓之間的界面附近。激光誘導(dǎo)的修飾以黑色細長標記(第一個修飾用向下的三角形表示)的形式橫向分離，在兩次照射之間以約12.5 μm的深度變化步距從上到下在界面上進行位移。在圖1b中，當(dāng)光束焦點向下z掃描(紫色虛線箭頭)時，我們觀察到所產(chǎn)生的修飾是如何通過界面復(fù)制的(紅色虛線)，并最終完全限制在較低的晶圓內(nèi)。通過分離晶圓并通過可見顯微鏡觀察接觸的頂部和底部表面(圖1d)，我們在z掃描表面上識別出具有不對稱的圓形特征，與延長的不對稱修飾的橫向觀察相對應(yīng)(圖1b)。在這一階段，在兩種基材上獲得的表面修飾(圖1d)被視為一個令人驚喜的結(jié)果，因為它顯示了在界面兩側(cè)一起加工材料的可能性。

圖1：a)焊接結(jié)構(gòu)示意圖(z掃描和模式)和連續(xù)分離程序，以可視化激光照射時接觸的頂部和底部晶圓表面的變化。b,c)兩個Si晶片界面區(qū)域的紅外透射顯微鏡橫向視圖。紅色虛線表示接口的位置。在成像區(qū)中，從上到下不同深度(12.5 μm步長)(紫色虛線箭頭)產(chǎn)生1000個11 μJ脈沖的單點修改(25 μm橫向分離)。d,e)樣品分離后頂部和底部晶圓表面對應(yīng)的可見光顯微鏡圖像，如(a)所示。界面下經(jīng)過修飾的加工區(qū)域間接證明與底部晶圓具有良好的光學(xué)和高效耦合(b,d)。上樣內(nèi)部經(jīng)過修飾的加工區(qū)域，橫梁被界面反射，由于接觸不完美而沒有表面修飾(c,e)。

在樣品的不同部分重復(fù)這個過程，我們意識到由于接觸的不均勻性，它并不總是可重復(fù)的。這并不奇怪，因為任何激光焊接研究都表明，在加工過程中，理想情況下，材料應(yīng)該緊密接觸，以獲得牢固可靠的粘結(jié)。在實踐中，人們承認，間隙大于幾微米的材料混合物是很難實現(xiàn)的。實現(xiàn)硅焊接的一個優(yōu)勢是微電子級晶圓的高規(guī)格，如用于這項工作的晶圓。亞納米級的粗糙度和優(yōu)秀的平整度(參見第4節(jié)關(guān)于樣品的更多規(guī)格)非常有利于處理這一非平凡的力學(xué)問題，但它的高折射率(n = 3.5)導(dǎo)致任何接觸缺陷都是諧振光學(xué)腔。在頂部和底部拋光晶圓之間存在小的空氣間隙，可以引起幾乎全反射，如圖1c所示，在處理后的上部樣品中可以看到明確的修改，并將光束初步聚焦在下片晶圓內(nèi)部?？紤]到這個光學(xué)問題，只有當(dāng)間隙大大小于波長時，才會實現(xiàn)光學(xué)接觸，光束可以輕松地通過界面而沒有衰減(圖1b)。對于較大的間隙，該接口充當(dāng)了法布里-珀羅干涉儀的作用，對底部晶圓的傳輸受到限制(圖1c)。考慮到硅的高折射率及其相關(guān)的高反射率(R≈30%)，可以預(yù)測，這將成為比以前在玻璃或聚合物材料中的研究更為關(guān)鍵的方面。這些光學(xué)方面的考慮得到了圖1e的證實，圖1e顯示，由于法布里-珀羅腔的適度局部傳輸，底部襯底表面完全沒有修飾。更令人驚訝的特征是頂部晶圓表面也完全沒有可見的修改，而橫向視圖清楚地顯示頂部樣品的一些內(nèi)部修改被界面分割。與圖1b,d相比，這表明兩個表面上的電場顯著減小，因此顯然不適合焊接。

從這些初步觀察中得出的一個主要結(jié)論是，為了初步實現(xiàn)類似半導(dǎo)體或其他高折射率材料的焊接，必須有近乎完美的光學(xué)接觸。顯然，這是一個與所需接觸面積相關(guān)的非平凡問題。在接下來的研究中，我們依賴于典型的15 × 18 mm2表面積的高級拋光晶圓，并且系統(tǒng)地重復(fù)相同的制備程序，包括清洗步驟和對接觸樣品施加機械夾緊壓力。正如我們稍后將看到的，盡管采用了這種程序，通過光束處理能力間接觀察到的界面間隙仍然存在輕微的局部變化。然而，經(jīng)過精心設(shè)計的測試和樣品制備優(yōu)化，這些不均勻性已大大減少。在這份專注于Si和GaAs的報告中，這些技術(shù)發(fā)展對于焊接性能的可重復(fù)性結(jié)果和可靠的統(tǒng)計分析至關(guān)重要。

2.2線形中證明材料混合

作為焊接的下一步，我們使用相同的輻照條件(0.45 NA, 11 μJ, 1 kHz)，用重復(fù)脈沖產(chǎn)生連續(xù)的線形修飾。對于上述帶有靜態(tài)輻照和橫向紅外成像的z掃描方法，我們測試了相對于界面的不同焦移的響應(yīng)。每條線長100 μm，是在光束以2 μm s-1的速度平行于界面平面的相對運動后得到的，根據(jù)我們的激光器的1 kHz重復(fù)頻率，對應(yīng)于施加的脈沖數(shù)≈7500，如圖1d估計的修改尺寸≈15 μm。在圖2a中，我們觀察到分離后兩種樣品的光學(xué)顯微鏡圖像。這導(dǎo)致了頂部和底部樣本觀測之間的鏡像對稱，如圖1a所示。我們定義接口上最中心的修改所對應(yīng)的位置z0作為比較的參考(基于圖1b)，我們在Si內(nèi)部以12.5 μm的步長改變聚焦距離，在接口上方(正)和下方(負)(側(cè)面視圖紅外圖像顯示在支持信息中)。在表面觀察時，當(dāng)光束聚焦在界面上方時，首先觀察到寬度≈7 μm的細線。當(dāng)我們向界面移動時，這些光束變得更寬(≈20 μm)和更暗，然后當(dāng)光束聚焦在較低的晶圓內(nèi)部時開始消失。至于靜態(tài)情況下的光斑表面修改(圖1d)，在z掃描線中觀察到的不對稱性也與圖1b中從橫向視圖中材料修改的橫斷面很好地對應(yīng)。比較頂部和底部晶圓，我們可以觀察到清晰的一對一的線輪廓映射，考慮到一個是另一個的鏡像。這已經(jīng)表明了由兩個表面支持的改性體系，這是一個有利的觀察，但并不能證明材料混合。

圖2：a)相對于參考位置Z0在不同焦距下界面周圍產(chǎn)生的線的頂部和底部晶片表面光學(xué)顯微鏡圖像。b)相應(yīng)的共聚焦顯微圖像顯示表面形貌。頂部和底部線的輪廓和地形都相互匹配，表明晶圓之間有材料轉(zhuǎn)移。注意圖1a中所示的頂部和底部圖像之間處理區(qū)域的鏡像對應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)我們用圖2b所示的相應(yīng)共聚焦顯微鏡圖像分析表面形貌時，樣品之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移變得明顯。從這些圖像中，我們觀察到，不僅線條輪廓，而且兩個晶圓上的地形輪廓都非常匹配，一個是另一個的負版本。微米尺寸的特征可以合理地作為加工區(qū)域中材料交換的證據(jù)，從而可能焊接，發(fā)現(xiàn)在參考位置(Z0)周圍的聚焦條件下，材料轉(zhuǎn)移最多。這已經(jīng)代表了一個非常有希望的結(jié)果，清楚地表明了從簡單的激光配置Si - Si微焊接的可行性，然而，在通過剪切連接強度測量評估之前，人們不能從它預(yù)先判斷Si的粘合性能。

2.3粘結(jié)強度

為了進一步優(yōu)化輻照條件，并在我們的配置中對最高可達到的鍵強進行測量，我們研究了施加脈沖數(shù)量的影響。為此，我們在相同的輻照條件(0.45 NA, 11 μJ, 1 kHz)下，以不同的掃描速度(1 μm s-1~ 5 mm s-1)制備了200 μm線。對于Si-Si配置，底部晶圓線光學(xué)圖像的代表性選擇如圖3a所示。支持信息中給出了一套更完整的觀察，包括對這種和其他測試材料組合的頂部晶圓表面的檢查。正如人們所預(yù)期的那樣，我們在Si-Si情況下觀察到，在最低掃描速度下獲得了最寬(≈15 μm)和最明顯的標記，因此顯示材料混合的最大加工體積，對應(yīng)于最高的脈沖次數(shù)，因此培養(yǎng)效益最大?？紤]到需要加工更大的區(qū)域以獲得可測量的粘結(jié)強度，我們選擇了2 μm s-1作為線質(zhì)量和掃描速度之間的折衷。顯然，這些最佳掃描條件直接取決于所使用的激光器的規(guī)格，為未來研究中使用提供更高功率和/或重復(fù)頻率的光源進行進一步優(yōu)化留下了空間。

圖3：a) Si-Si和b) Si-GaAs結(jié)構(gòu)底部晶片焊接線的光學(xué)顯微鏡圖像。11 μJ下的最佳掃描條件分別為2 μm s-1和50 μm s-1。c)與(b)中圖像相對應(yīng)的共聚焦顯微鏡成像的地形圖像。d)對應(yīng)的測量區(qū)域(c)顯示地表高程或凹陷超過固定在2 μm的閾值。e) Si-GaAs構(gòu)型下焊接蛇紋石的紅外透射圖像。根據(jù)估算，約0.25mm2的總焊接面積應(yīng)能抵抗高達4.5 N的剪切力。

在圖3b中，展示了底部GaAs上產(chǎn)生的線的代表性圖像選擇。較低的修飾閾值使GaAs的相互作用更強，從而產(chǎn)生更寬(≈30μm)和更明顯的線條。然而，與之前不同的是，對共焦圖像的分析(圖3c)揭示了最佳掃描速度，對應(yīng)于50 μm s-1，而不是最慢的掃描速度。為了說明這方面的詳細分析，我們在圖3d中為圖3c的每張圖像展示了地形中海拔或凹陷超過2 μm的區(qū)域(|z|>2 μm)。將這一任意判據(jù)作為材料混合概率的評價標準，得出最佳掃描速度為50 μm s-1。與Si相比，這種增加的速度允許對幾個樣品進行更快的光柵掃描輻照(如圖3e所示)，從而在這種不同的半導(dǎo)體配置中測量到18±1 MPa的剪切連接強度。與Si-Si相比的差異可以合理地歸因于與表現(xiàn)出不同熱機械性能的材料焊接相關(guān)的通常挑戰(zhàn)。然而，它是適合的而且測量的強度有趣地顯示了這種技術(shù)的潛力，即使用貫穿Si傳輸配置將Si與其他半導(dǎo)體焊接。

對比圖4中得到的剪切連接強度值，可以注意到這些值都在同一個數(shù)量級，其中Si-Si表現(xiàn)出最強的粘結(jié)。不同的材料焊接配置，無論是Si或GaAs在頂部，得到的值相似，都小于Si - Si得到的值。盡管對GaAs-GaAs焊接情況進行了一次測量，但結(jié)果表明Si-Si樣品的性能水平(測量分布的底部)，因此與類似半導(dǎo)體焊接所獲得的優(yōu)異性能一致。與此同時，有趣的是，與GaAs-Si相比，Si-GaAs結(jié)構(gòu)中測量的統(tǒng)計色散有所減少。這表明GaAs對實驗波動具有更好的魯棒性，這也可以歸因于GaAs的修飾閾值明顯低于Si。考慮到這一點，我們假設(shè)Si - GaAs結(jié)構(gòu)必須容忍更多的光學(xué)接觸缺陷，即使在兩個分離良好的表面(R = 30%)的預(yù)期界面透射率約為50%，在Si和GaAs低樣品中，材料熔化也很容易同時達到。

圖4：根據(jù)所有不同配置(如下所示)在焊接斷裂前的剪切力測量(標記)來評估連接強度。每個構(gòu)型的平均值用一條連續(xù)的直線表示。

3結(jié)論

這項工作證明了半導(dǎo)體激光焊接的可行性，使用非常緊湊的納秒激光技術(shù)和相對松散的聚焦。在這方面，必須引入具有巨大應(yīng)用潛力的解決方案。據(jù)我們所知，它不僅首次演示了類似半導(dǎo)體的激光焊接，而且還演示了不同半導(dǎo)體(Si和GaAs)的激光焊接。在所有配置中實現(xiàn)的鍵合強度都在數(shù)十兆帕左右，類似于通過晶圓鍵合技術(shù)和透明介質(zhì)的超快激光焊接獲得的鍵合強度，而這種技術(shù)不適用于具有常規(guī)激光加工配置的半導(dǎo)體。在這些比較的背景下，我們意識到，只有幾毫米的焊縫與報告的強度必須懸掛激光設(shè)備，用于實現(xiàn)焊接。對于圖5所示的性能的最后證據(jù)，使用Si-GaAs配置，因為它允許更高的處理速度?？紤]到對接觸不均勻性的剩余敏感性，這是一個與預(yù)期接觸區(qū)域縮放的問題，我們有意地處理了一個相對較大的區(qū)域。如圖5b所示，紅外成像所示的總處理面積約為3.5 ×7.0 mm2，在此配置中測量的剪切連接強度為18 MPa(見圖4)，可抵抗高達400 N的剪切力，這比懸掛在激光頭上所產(chǎn)生的約30 N的施加剪切力(≈3 kg)高出一個數(shù)量級。這些考慮解釋了圖5a所示的成功演示，盡管在圖5b的紅外傳輸圖像中觀察到不完全接觸。

圖5：a)實驗中使用的激光源圖像(≈3 kg)掛在焊接在GaAs上的Si晶片上。圖示如圖所示。b)從紅外透射圖像中，我們觀察到總處理面積為3.5 ×7.0 mm2，從中我們估計對剪切力的阻力高達400 n。紅外圖像上可見的干涉條紋歸因于材料界面處的法布里-珀羅腔，從而揭示了接觸不均勻性。

為了擴展半導(dǎo)體焊接最合適的激光配置，我們的工作表明，鑒于半導(dǎo)體的窄帶隙特性，除了在近紅外或中紅外要求適當(dāng)?shù)牟ㄩL外，還必須特別注意兩個關(guān)鍵方面， (i)第一個是對加工材料之間接近完美光學(xué)接觸的要求，因為半導(dǎo)體固有的高折射率傾向于從界面中驅(qū)逐能量密度。如我們所示，這在相似的半導(dǎo)體焊接配置中尤其重要，而對于不同的半導(dǎo)體焊接，只要該工藝使用底部材料在所考慮的波長處吸收最大的配置，則可以允許更大的公差。(ii)第二個是關(guān)于用于能量傳遞的激光時間制度，因為總有一個不應(yīng)超過的功率，以避免通量在到達界面之前發(fā)生劇烈的非線性離域。在這方面，我們可以強調(diào)使用超快激光技術(shù)進行透明材料焊接的巨大趨勢。這在今天介質(zhì)/槽介質(zhì)中高度局部化和可控的能量沉積中是完全合理的。成功的玻璃-玻璃或玻璃-硅超快激光焊接演示，報告的剪切連接強度在某些情況下超過50兆帕，顯然支持在這種情況下納米秒激光焊接的優(yōu)勢。然而，這里值得強調(diào)的是，在IR域中類似的超短脈沖在半導(dǎo)體中完全失效。這是我們在實驗中證實的一個方面(未顯示)，這與最近的文獻一致，報告了強紅外光在半導(dǎo)體內(nèi)部由于強傳播非線性而產(chǎn)生的強離域化。這一說法也與最近成功演示的皮秒激光脈沖硅銅焊接相一致，盡管采用了先進的非線性補償措施，但與過去幾十年廣泛研究的穿玻璃超快激光焊接配置相比，焊接強度有限(最大剪切結(jié)合強度高達≈2 MPa)。

與目前應(yīng)用于其他材料的晶圓鍵合和激光微焊接方法相比，我們的方法是一種非常經(jīng)濟和靈活的解決方案，因為它允許不同的材料組裝，并且不需要潔凈的環(huán)境。根據(jù)我們的演示，我們預(yù)計將根據(jù)目標應(yīng)用程序快速獲得各種改進。例如，使用高功率工業(yè)源，該過程將很容易擴大規(guī)模，以提高過程效率。從我們的方法中直接推斷，幾m s-1的掃描速度應(yīng)該可以在MHz的重復(fù)頻率和/或毫微米焦耳的能級下獲得?？偠灾覀兎浅Ｆ诖_定的納秒激光解決方案，用于相似和不同半導(dǎo)體的微焊接，為半導(dǎo)體行業(yè)新的高價值制造實踐打開了大門。

文章來源：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200208?utm_medium=referral&utm_source=baidu_scholar&utm_campaign=RWA17109&utm_content=Global_Marketing_PS_Laser_