激光焊接是當今現代製造業(ye) 的關(guan) 鍵工藝。本文對相似和不同半導體(ti) 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(yu) 各個(ge) 領域先進的製造方法。然而，到目前為(wei) 止物理學限製阻礙了證明其在矽 (Si) 和其他技術必需的半導體(ti) 材料中的適用性。針對強紅外光作用下窄間隙材料界麵可傳(chuan) 遞能量密度的光學限製，首次實現了用納秒激光脈衝(chong) 在 Si 工件間進行傳(chuan) 輸激光焊接的可行性論證。剪切連接強度為(wei) 32 ± 10 MPa ，與(yu) 複雜的替代工藝相比是非常有利的。在包括砷化镓在內(nei) 的不同材料組合上及重複實驗的支持下，證實了對於(yu) 類似和不同的半導體(ti) 都是可以實現的。演示依賴於(yu) 小型光纖激光器，這一方麵為(wei) 高效靈活工藝的出現帶來了巨大的希望，有利於(yu) 包括片上實驗室和混合半導體(ti) 係統在內(nei) 的重要技術發展。

1介紹

激光焊接是當今現代製造業(ye) 的關(guan) 鍵工藝。從(cong) 這個(ge) 觀點出發，使用緊密聚焦的超短脈衝(chong) 是一個(ge) 重要的突破，它提供了在透明材料內(nei) 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(hui) 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(yu) 將不同的半導體(ti) 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(jue) 這個(ge) 問題，從(cong) 而導致解決(jue) 方案與(yu) 最苛刻的應用不兼容。

對於(yu) 直接適用於(yu) 矽(Si)和其他半導體(ti) 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(liang) 個(ge) 晶圓在最親(qin) 密的接觸，以便分子間的鍵出現在晶圓。然而，在通過熱退火、表麵等離子體(ti) 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(chan) 生了典型的粘結強度，在幾個(ge) 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(ge) 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(yu) 增加靈活性和製造當前方法無法實現的複雜結構半導體(ti) 係統仍然是非常需要的。

2結果與(yu) 討論

2.1光接觸的前提條件

為(wei) 了證明激光焊接Si的可行性並揭示關(guan) 鍵參數，我們(men) 使用摻鉺光纖源在1550 nm波長發射持續時間< 5ns的脈衝(chong) ，對兩(liang) 個(ge) 相互堆疊的高純度Si樣品(雙麵拋光)之間的界麵進行了輻照;這是矽的全透明域。利用前麵提到的工作，證明了在緊聚焦條件下Si內(nei) 部局部能量沉積的可能性，但也可能存在嚴(yan) 重的非線性焦移，需要對加工區域定位進行預先補償(chang) ，我們(men) 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(chong) 的單點照射。通過這種方式，我們(men) 產(chan) 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(men) 可以從(cong) 側(ce) 麵看到兩(liang) 個(ge) 晶圓之間的界麵附近。激光誘導的修飾以黑色細長標記(第一個(ge) 修飾用向下的三角形表示)的形式橫向分離，在兩(liang) 次照射之間以約12.5 μm的深度變化步距從(cong) 上到下在界麵上進行位移。在圖1b中，當光束焦點向下z掃描(紫色虛線箭頭)時，我們(men) 觀察到所產(chan) 生的修飾是如何通過界麵複製的(紅色虛線)，並最終完全限製在較低的晶圓內(nei) 。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麵(圖1d)，我們(men) 在z掃描表麵上識別出具有不對稱的圓形特征，與(yu) 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(liang) 種基材上獲得的表麵修飾(圖1d)被視為(wei) 一個(ge) 令人驚喜的結果，因為(wei) 它顯示了在界麵兩(liang) 側(ce) 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麵的變化。b,c)兩(liang) 個(ge) Si晶片界麵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(cong) 上到下不同深度(12.5 μm步長)(紫色虛線箭頭)產(chan) 生1000個(ge) 11 μJ脈衝(chong) 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麵對應的可見光顯微鏡圖像，如(a)所示。界麵下經過修飾的加工區域間接證明與(yu) 底部晶圓具有良好的光學和高效耦合(b,d)。上樣內(nei) 部經過修飾的加工區域，橫梁被界麵反射，由於(yu) 接觸不完美而沒有表麵修飾(c,e)。

在樣品的不同部分重複這個(ge) 過程，我們(men) 意識到由於(yu) 接觸的不均勻性，它並不總是可重複的。這並不奇怪，因為(wei) 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(men) 承認，間隙大於(yu) 幾微米的材料混合物是很難實現的。實現矽焊接的一個(ge) 優(you) 勢是微電子級晶圓的高規格，如用於(yu) 這項工作的晶圓。亞(ya) 納米級的粗糙度和優(you) 秀的平整度(參見第4節關(guan) 於(yu) 樣品的更多規格)非常有利於(yu) 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(nei) 部。考慮到這個(ge) 光學問題，隻有當間隙大大小於(yu) 波長時，才會(hui) 實現光學接觸，光束可以輕鬆地通過界麵而沒有衰減(圖1b)。對於(yu) 較大的間隙，該接口充當了法布裏-珀羅幹涉儀(yi) 的作用，對底部晶圓的傳(chuan) 輸受到限製(圖1c)。考慮到矽的高折射率及其相關(guan) 的高反射率(R≈30%)，可以預測，這將成為(wei) 比以前在玻璃或聚合物材料中的研究更為(wei) 關(guan) 鍵的方麵。這些光學方麵的考慮得到了圖1e的證實，圖1e顯示，由於(yu) 法布裏-珀羅腔的適度局部傳(chuan) 輸，底部襯底表麵完全沒有修飾。更令人驚訝的特征是頂部晶圓表麵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(nei) 部修改被界麵分割。與(yu) 圖1b,d相比，這表明兩(liang) 個(ge) 表麵上的電場顯著減小，因此顯然不適合焊接。

從(cong) 這些初步觀察中得出的一個(ge) 主要結論是，為(wei) 了初步實現類似半導體(ti) 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(ge) 與(yu) 所需接觸麵積相關(guan) 的非平凡問題。在接下來的研究中，我們(men) 依賴於(yu) 典型的15 × 18 mm2表麵積的高級拋光晶圓，並且係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(men) 稍後將看到的，盡管采用了這種程序，通過光束處理能力間接觀察到的界麵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(you) 化，這些不均勻性已大大減少。在這份專(zhuan) 注於(yu) Si和GaAs的報告中，這些技術發展對於(yu) 焊接性能的可重複性結果和可靠的統計分析至關(guan) 重要。

2.2線形中證明材料混合

作為(wei) 焊接的下一步，我們(men) 使用相同的輻照條件(0.45 NA, 11 μJ, 1 kHz)，用重複脈衝(chong) 產(chan) 生連續的線形修飾。對於(yu) 上述帶有靜態輻照和橫向紅外成像的z掃描方法，我們(men) 測試了相對於(yu) 界麵的不同焦移的響應。每條線長100 μm，是在光束以2 μm s-1的速度平行於(yu) 界麵平麵的相對運動後得到的，根據我們(men) 的激光器的1 kHz重複頻率，對應於(yu) 施加的脈衝(chong) 數≈7500，如圖1d估計的修改尺寸≈15 μm。在圖2a中，我們(men) 觀察到分離後兩(liang) 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(men) 定義(yi) 接口上最中心的修改所對應的位置z0作為(wei) 比較的參考(基於(yu) 圖1b)，我們(men) 在Si內(nei) 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(ce) 麵視圖紅外圖像顯示在支持信息中)。在表麵觀察時，當光束聚焦在界麵上方時，首先觀察到寬度≈7 μm的細線。當我們(men) 向界麵移動時，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(nei) 部時開始消失。至於(yu) 靜態情況下的光斑表麵修改(圖1d)，在z掃描線中觀察到的不對稱性也與(yu) 圖1b中從(cong) 橫向視圖中材料修改的橫斷麵很好地對應。比較頂部和底部晶圓，我們(men) 可以觀察到清晰的一對一的線輪廓映射，考慮到一個(ge) 是另一個(ge) 的鏡像。這已經表明了由兩(liang) 個(ge) 表麵支持的改性體(ti) 係，這是一個(ge) 有利的觀察，但並不能證明材料混合。

圖2：a)相對於(yu) 參考位置Z0在不同焦距下界麵周圍產(chan) 生的線的頂部和底部晶片表麵光學顯微鏡圖像。b)相應的共聚焦顯微圖像顯示表麵形貌。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(guan) 係。

當我們(men) 用圖2b所示的相應共聚焦顯微鏡圖像分析表麵形貌時，樣品之間的物質轉移變得明顯。從(cong) 這些圖像中，我們(men) 觀察到，不僅(jin) 線條輪廓，而且兩(liang) 個(ge) 晶圓上的地形輪廓都非常匹配，一個(ge) 是另一個(ge) 的負版本。微米尺寸的特征可以合理地作為(wei) 加工區域中材料交換的證據，從(cong) 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(ge) 非常有希望的結果，清楚地表明了從(cong) 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(men) 不能從(cong) 它預先判斷Si的粘合性能。

2.3粘結強度

為(wei) 了進一步優(you) 化輻照條件，並在我們(men) 的配置中對最高可達到的鍵強進行測量，我們(men) 研究了施加脈衝(chong) 數量的影響。為(wei) 此，我們(men) 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(yu) 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麵的檢查。正如人們(men) 所預期的那樣，我們(men) 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(ti) 積，對應於(yu) 最高的脈衝(chong) 次數，因此培養(yang) 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(men) 選擇了2 μm s-1作為(wei) 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(jue) 於(yu) 所使用的激光器的規格，為(wei) 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(you) 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為(wei) 2 μm s-1和50 μm s-1。c)與(yu) (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的總焊接麵積應能抵抗高達4.5 N的剪切力。

在圖3b中，展示了底部GaAs上產(chan) 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(cong) 而產(chan) 生更寬(≈30μm)和更明顯的線條。然而，與(yu) 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(yu) 50 μm s-1，而不是最慢的掃描速度。為(wei) 了說明這方麵的詳細分析，我們(men) 在圖3d中為(wei) 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)。將這一任意判據作為(wei) 材料混合概率的評價(jia) 標準，得出最佳掃描速度為(wei) 50 μm s-1。與(yu) Si相比，這種增加的速度允許對幾個(ge) 樣品進行更快的光柵掃描輻照(如圖3e所示)，從(cong) 而在這種不同的半導體(ti) 配置中測量到18±1 MPa的剪切連接強度。與(yu) Si-Si相比的差異可以合理地歸因於(yu) 與(yu) 表現出不同熱機械性能的材料焊接相關(guan) 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(chuan) 輸配置將Si與(yu) 其他半導體(ti) 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(ge) 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(yu) Si - Si得到的值。盡管對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(測量分布的底部)，因此與(yu) 類似半導體(ti) 焊接所獲得的優(you) 異性能一致。與(yu) 此同時，有趣的是，與(yu) 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(yu) GaAs的修飾閾值明顯低於(yu) Si。考慮到這一點，我們(men) 假設Si - GaAs結構必須容忍更多的光學接觸缺陷，即使在兩(liang) 個(ge) 分離良好的表麵(R = 30%)的預期界麵透射率約為(wei) 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(ge) 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(ti) 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。在這方麵，必須引入具有巨大應用潛力的解決(jue) 方案。據我們(men) 所知，它不僅(jin) 首次演示了類似半導體(ti) 的激光焊接，而且還演示了不同半導體(ti) (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(yu) 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(yu) 具有常規激光加工配置的半導體(ti) 。在這些比較的背景下，我們(men) 意識到，隻有幾毫米的焊縫與(yu) 報告的強度必須懸掛激光設備，用於(yu) 實現焊接。對於(yu) 圖5所示的性能的最後證據，使用Si-GaAs配置，因為(wei) 它允許更高的處理速度。考慮到對接觸不均勻性的剩餘(yu) 敏感性，這是一個(ge) 與(yu) 預期接觸區域縮放的問題，我們(men) 有意地處理了一個(ge) 相對較大的區域。如圖5b所示，紅外成像所示的總處理麵積約為(wei) 3.5 ×7.0 mm2，在此配置中測量的剪切連接強度為(wei) 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(chan) 生的約30 N的施加剪切力(≈3 kg)高出一個(ge) 數量級。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(chuan) 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(cong) 紅外透射圖像中，我們(men) 觀察到總處理麵積為(wei) 3.5 ×7.0 mm2，從(cong) 中我們(men) 估計對剪切力的阻力高達400 n。紅外圖像上可見的幹涉條紋歸因於(yu) 材料界麵處的法布裏-珀羅腔，從(cong) 而揭示了接觸不均勻性。

為(wei) 了擴展半導體(ti) 焊接最合適的激光配置，我們(men) 的工作表明，鑒於(yu) 半導體(ti) 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(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵方麵， (i)第一個(ge) 是對加工材料之間接近完美光學接觸的要求，因為(wei) 半導體(ti) 固有的高折射率傾(qing) 向於(yu) 從(cong) 界麵中驅逐能量密度。如我們(men) 所示，這在相似的半導體(ti) 焊接配置中尤其重要，而對於(yu) 不同的半導體(ti) 焊接，隻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(ge) 是關(guan) 於(yu) 用於(yu) 能量傳(chuan) 遞的激光時間製度，因為(wei) 總有一個(ge) 不應超過的功率，以避免通量在到達界麵之前發生劇烈的非線性離域。在這方麵，我們(men) 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-矽超快激光焊接演示，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(you) 勢。然而，這裏值得強調的是，在IR域中類似的超短脈衝(chong) 在半導體(ti) 中完全失效。這是我們(men) 在實驗中證實的一個(ge) 方麵(未顯示)，這與(yu) 最近的文獻一致，報告了強紅外光在半導體(ti) 內(nei) 部由於(yu) 強傳(chuan) 播非線性而產(chan) 生的強離域化。這一說法也與(yu) 最近成功演示的皮秒激光脈衝(chong) 矽銅焊接相一致，盡管采用了先進的非線性補償(chang) 措施，但與(yu) 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(yu) 目前應用於(yu) 其他材料的晶圓鍵合和激光微焊接方法相比，我們(men) 的方法是一種非常經濟和靈活的解決(jue) 方案，因為(wei) 它允許不同的材料組裝，並且不需要潔淨的環境。根據我們(men) 的演示，我們(men) 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(ye) 源，該過程將很容易擴大規模，以提高過程效率。從(cong) 我們(men) 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(men) 非常期待確定的納秒激光解決(jue) 方案，用於(yu) 相似和不同半導體(ti) 的微焊接，為(wei) 半導體(ti) 行業(ye) 新的高價(jia) 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_