相似和不同半導體材料的激光透射焊接

激光焊接是當今現代製造業的關鍵工藝。本文對相似和不同半導體材料的激光透射焊接的研究。

摘要：激光微焊接是一種應用於各個領域先進的製造方法。然而，到目前爲止物理學限制阻礙了證明其在硅(Si)和其他技術必需的半導體材料中的適用性。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限制，首次實現了用納秒激光脈衝在Si工件間進行傳輸激光焊接的可行性論證。剪切連接強度爲32±10 MPa，與複雜的替代工藝相比是非常有利的。在包括砷化鎵在內的不同材料組合上及重複實驗的支持下，證實了對於類似和不同的半導體都是可以實現的。演示依賴於小型光纖激光器，這一方面爲高效靈活工藝的出現帶來了巨大的希望，有利於包括片上實驗室和混合半導體系統在內的重要技術發展。

1介紹

激光焊接是當今現代製造業的關鍵工藝。從這個觀點出發，使用緊密聚焦的超短脈衝是一個重要的突破，它提供了在透明材料內部三維空間的任何地方通過非線性吸收來實現能量沉積的能力。隨後高度局部化的材料熔化是飛秒激光焊接的基礎。各種成功演示的應用包括穿過玻璃、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領域找到直接的應用，但令人驚訝的是，這種工藝不能直接適用於將不同的半導體工件鍵合在一起。如今，通過引入吸收層(如金屬)，用粘合劑來解決這個問題，從而導致解決方案與最苛刻的應用不兼容。

對於直接適用於硅(Si)和其他半導體的替代方法，可以參考晶圓分子鍵合。它包括適當地準備和放置兩個晶圓在最親密的接觸，以便分子間的鍵出現在晶圓。然而，在通過熱退火、表面等離子體活化或應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)。這產生了典型的粘結強度，在幾個MPa的順序和性能水平適合一些高要求的應用。

然而，該技術的一個主要缺點是需要在潔淨室環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對於增加靈活性和製造當前方法無法實現的複雜結構半導體系統仍然是非常需要的。

2結果與討論

2.1光接觸的前提條件

爲了證明激光焊接Si的可行性並揭示關鍵參數，我們使用摻鉺光纖源在1550 nm波長髮射持續時間< 5ns的脈衝，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，需要對加工區域定位進行預先補償，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(數值孔徑)聚焦條件下，以最大可用能量(目標上11 μJ)和重複頻率(1 kHz)重複1000次施加脈衝的單點照射。通過這種方式，我們產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，我們可以從側面看到兩個晶圓之間的界面附近。激光誘導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，當光束焦點向下z掃描(紫色虛線箭頭)時，我們觀察到所產生的修飾是如何通過界面複製的(紅色虛線)，並最終完全限制在較低的晶圓內。通過分離晶圓並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徵，與延長的不對稱修飾的橫向觀察相對應(圖1b)。在這一階段，在兩種基材上獲得的表面修飾(圖1d)被視爲一個令人驚喜的結果，因爲它顯示了在界面兩側一起加工材料的可能性。

圖1：a)焊接結構示意圖(z掃描和模式)和連續分離程序，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。在成像區中，從上到下不同深度(12.5 μm步長)(紫色虛線箭頭)產生1000個11 μJ脈衝的單點修改(25 μm橫向分離)。d,e)樣品分離後頂部和底部晶圓表面對應的可見光顯微鏡圖像，如(a)所示。界面下經過修飾的加工區域間接證明與底部晶圓具有良好的光學和高效耦合(b,d)。上樣內部經過修飾的加工區域，橫樑被界面反射，由於接觸不完美而沒有表面修飾(c,e)。

在樣品的不同部分重複這個過程，我們意識到由於接觸的不均勻性，它並不總是可重複的。這並不奇怪，因爲任何激光焊接研究都表明，在加工過程中，理想情況下，材料應該緊密接觸，以獲得牢固可靠的粘結。在實踐中，人們承認，間隙大於幾微米的材料混合物是很難實現的。實現硅焊接的一個優勢是微電子級晶圓的高規格，如用於這項工作的晶圓。亞納米級的粗糙度和優秀的平整度(參見第4節關於樣品的更多規格)非常有利於處理這一非平凡的力學問題，但它的高折射率(n = 3.5)導致任何接觸缺陷都是諧振光學腔。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，在處理後的上部樣品中可以看到明確的修改，並將光束初步聚焦在下片晶圓內部。考慮到這個光學問題，只有當間隙大大小於波長時，纔會實現光學接觸，光束可以輕鬆地通過界面而沒有衰減(圖1b)。對於較大的間隙，該接口充當了法布里-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的高反射率(R≈30%)，可以預測，這將成爲比以前在玻璃或聚合物材料中的研究更爲關鍵的方面。這些光學方面的考慮得到了圖1e的證實，圖1e顯示，由於法布里-珀羅腔的適度局部傳輸，底部襯底表面完全沒有修飾。更令人驚訝的特徵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論是，爲了初步實現類似半導體或其他高折射率材料的焊接，必須有近乎完美的光學接觸。顯然，這是一個與所需接觸面積相關的非平凡問題。在接下來的研究中，我們依賴於典型的15 × 18 mm2表面積的高級拋光晶圓，並且系統地重複相同的製備程序，包括清洗步驟和對接觸樣品施加機械夾緊壓力。正如我們稍後將看到的，儘管採用了這種程序，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，經過精心設計的測試和樣品製備優化，這些不均勻性已大大減少。在這份專注於Si和GaAs的報告中，這些技術發展對於焊接性能的可重複性結果和可靠的統計分析至關重要。

2.2線形中證明材料混合

作爲焊接的下一步，我們使用相同的輻照條件(0.45 NA, 11 μJ, 1 kHz)，用重複脈衝產生連續的線形修飾。對於上述帶有靜態輻照和橫向紅外成像的z掃描方法，我們測試了相對於界面的不同焦移的響應。每條線長100 μm，是在光束以2 μm s-1的速度平行於界面平面的相對運動後得到的，根據我們的激光器的1 kHz重複頻率，對應於施加的脈衝數≈7500，如圖1d估計的修改尺寸≈15 μm。在圖2a中，我們觀察到分離後兩種樣品的光學顯微鏡圖像。這導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的位置z0作爲比較的參考(基於圖1b)，我們在Si內部以12.5 μm的步長改變聚焦距離，在接口上方(正)和下方(負)(側面視圖紅外圖像顯示在支持信息中)。在表面觀察時，當光束聚焦在界面上方時，首先觀察到寬度≈7 μm的細線。當我們向界面移動時，這些光束變得更寬(≈20 μm)和更暗，然後當光束聚焦在較低的晶圓內部時開始消失。至於靜態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。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，但並不能證明材料混合。

圖2：a)相對於參考位置Z0在不同焦距下界面周圍產生的線的頂部和底部晶片表面光學顯微鏡圖像。b)相應的共聚焦顯微圖像顯示錶面形貌。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移。注意圖1a中所示的頂部和底部圖像之間處理區域的鏡像對應關係。

當我們用圖2b所示的相應共聚焦顯微鏡圖像分析表面形貌時，樣品之間的物質轉移變得明顯。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。微米尺寸的特徵可以合理地作爲加工區域中材料交換的證據，從而可能焊接，發現在參考位置(Z0)周圍的聚焦條件下，材料轉移最多。這已經代表了一個非常有希望的結果，清楚地表明瞭從簡單的激光配置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，人們不能從它預先判斷Si的粘合性能。

2.3粘結強度

爲了進一步優化輻照條件，並在我們的配置中對最高可達到的鍵強進行測量，我們研究了施加脈衝數量的影響。爲此，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)製備了200 μm線。對於Si-Si配置，底部晶圓線光學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，對應於最高的脈衝次數，因此培養效益最大。考慮到需要加工更大的區域以獲得可測量的粘結強度，我們選擇了2 μm s-1作爲線質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於所使用的激光器的規格，爲未來研究中使用提供更高功率和/或重複頻率的光源進行進一步優化留下了空間。

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

在圖3b中，展示了底部GaAs上產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，對應於50μm s-1，而不是最慢的掃描速度。爲了說明這方面的詳細分析，我們在圖3d中爲圖3c的每張圖像展示了地形中海拔或凹陷超過2 μm的區域(|z|>2 μm)。將這一任意判據作爲材料混合概率的評價標準，得出最佳掃描速度爲50μm 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於與表現出不同熱機械性能的材料焊接相關的通常挑戰。然而，它是適合的而且測量的強度有趣地顯示了這種技術的潛力，即使用貫穿Si傳輸配置將Si與其他半導體焊接。

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量級，其中Si-Si表現出最強的粘結。不同的材料焊接配置，無論是Si或GaAs在頂部，得到的值相似，都小於Si - Si得到的值。儘管對GaAs-GaAs焊接情況進行了一次測量，但結果表明Si-Si樣品的性能水平(測量分佈的底部)，因此與類似半導體焊接所獲得的優異性能一致。與此同時，有趣的是，與GaAs-Si相比，Si-GaAs結構中測量的統計色散有所減少。這表明GaAs對實驗波動具有更好的魯棒性，這也可以歸因於GaAs的修飾閾值明顯低於Si。考慮到這一點，我們假設Si - GaAs結構必須容忍更多的光學接觸缺陷，即使在兩個分離良好的表面(R = 30%)的預期界面透射率約爲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。每個構型的平均值用一條連續的直線表示。

3結論

這項工作證明了半導體激光焊接的可行性，使用非常緊湊的納秒激光技術和相對鬆散的聚焦。在這方面，必須引入具有巨大應用潛力的解決方案。據我們所知，它不僅首次演示了類似半導體的激光焊接，而且還演示了不同半導體(Si和GaAs)的激光焊接。在所有配置中實現的鍵合強度都在數十兆帕左右，類似於通過晶圓鍵合技術和透明介質的超快激光焊接獲得的鍵合強度，而這種技術不適用於具有常規激光加工配置的半導體。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備，用於實現焊接。對於圖5所示的性能的最後證據，使用Si-GaAs配置，因爲它允許更高的處理速度。考慮到對接觸不均勻性的剩餘敏感性，這是一個與預期接觸區域縮放的問題，我們有意地處理了一個相對較大的區域。如圖5b所示，紅外成像所示的總處理面積約爲3.5×7.0 mm2，在此配置中測量的剪切連接強度爲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生的約30 N的施加剪切力(≈3 kg)高出一個數量級。這些考慮解釋了圖5a所示的成功演示，儘管在圖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爲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於材料界面處的法布里-珀羅腔，從而揭示了接觸不均勻性。

爲了擴展半導體焊接最合適的激光配置，我們的工作表明，鑑於半導體的窄帶隙特性，除了在近紅外或中紅外要求適當的波長外，還必須特別注意兩個關鍵方面， (i)第一個是對加工材料之間接近完美光學接觸的要求，因爲半導體固有的高折射率傾向於從界面中驅逐能量密度。如我們所示，這在相似的半導體焊接配置中尤其重要，而對於不同的半導體焊接，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)第二個是關於用於能量傳遞的激光時間制度，因爲總有一個不應超過的功率，以避免通量在到達界面之前發生劇烈的非線性離域。在這方面，我們可以強調使用超快激光技術進行透明材料焊接的巨大趨勢。這在今天介質/槽介質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勢。然而，這裡值得強調的是，在IR域中類似的超短脈衝在半導體中完全失效。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體內部由於強傳播非線性而產生的強離域化。這一說法也與最近成功演示的皮秒激光脈衝硅銅焊接相一致，儘管採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(最大剪切結合強度高達≈2 MPa)。

與目前應用於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濟和靈活的解決方案，因爲它允許不同的材料組裝，並且不需要潔淨的環境。根據我們的演示，我們預計將根據目標應用程序快速獲得各種改進。例如，使用高功率工業源，該過程將很容易擴大規模，以提高過程效率。從我們的方法中直接推斷，幾m s-1的掃描速度應該可以在MHz的重複頻率和/或毫微米焦耳的能級下獲得。總而言之，我們非常期待確定的納秒激光解決方案，用於相似和不同半導體的微焊接，爲半導體行業新的高價值製造實踐打開了大門。

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_