레이저를 사용하여 반도체 전자 부품 결합

2022년 12월 5일 대화상자

폴 소페냐(Pol Sopeña)와 데이비드 그로호(David Grojo)

오늘날 레이저는 그것이 무엇인지, 어디에 있는지 구분하기 어려울 때도 있지만 일상생활에 잘 자리잡고 있습니다. 예를 들어, CD/DVD 리더기나 암, 안구 수술과 같은 의료 응용 분야에서 찾을 수 있으며 광범위한 종합 분야에서 필수적인 도구입니다. 이 모든 것은 최초의 마이만의 루비 레이저(1960년)부터 젤로 레이저와 같은 이국적이고 재미있는 시연을 거쳐 아토초 레이저에 이르기까지 끊임없는 발전과 발전의 결과입니다.

보다 강력한 광원을 지속적으로 얻기 위한 탐구에서 초단파 레이저(펨토초 범위의 펄스 포함)는 나노 규모의 제한된 공간에서 고강도 전달을 가능하게 함으로써 확실한 돌파구를 제시했습니다. 특히, 다른 레이저 소스로는 달성할 수 없는 낮은 열 예산으로 투명 재료의 내부를 국부적으로 수정할 수 있는 비선형 흡수 현상을 유도할 수 있습니다. 일부 시연에는 안경에 쓰는 도파관이나 폴리머를 사용하여 3D 복잡한 패턴을 만드는 것이 포함됩니다.

초고속 레이저는 상단 레이저를 통해 조사하고 그 사이의 경계면에 초점을 맞춰 적층된 투명 재료를 용접할 수 있는 가능성을 열었습니다. 강도가 높으면 두 재료가 거의 즉각적으로 국부적으로 용융되고 이어서 재응고, 혼합 및 결합됩니다. 이는 다양한 구성의 유리, 폴리머, 세라믹 및 금속을 포함한 여러 재료를 통해 입증되었습니다.

초고속 레이저 용접은 확실히 마이크로 전자 공학에 즉시 적용할 수 있지만, 이 공정이 다양한 반도체 부품을 접착하는 데 직접 적용할 수는 없다는 사실이 놀랍습니다. 내부 유리 수정에 필요한 높은 강도는 작은 밴드갭으로 인해 반도체에서 강한 전파 비선형성을 가져오며, 이는 강렬한 적외선 복사의 초점을 흐리고 비편재화하는 경향이 있습니다.

이 과제를 해결하기 위해 우리는 고정관념에서 벗어나 생각해야 했고, 처음에는 한 발 물러나는 것처럼 보였던 것이 성공적인 대안으로 이어졌습니다. 실리콘 웨이퍼의 스텔스 다이싱에서는 적외선 나노초 펄스를 사용하여 나중에 깨끗한 가장자리 절단을 생성하기 위한 약점으로 작용하는 실리콘 내부에 결함을 생성합니다. 상대적으로 긴 펄스는 초단파보다 강도가 낮기 때문에 원하지 않는 전파 비선형성을 방지하지만 동시에 2광자 흡수에 의해 초점에서 흡수될 수 있습니다. 이를 바탕으로 우리는 이러한 내부 수정을 결함이 아닌 강력한 결합 지점으로 사용하여 더 긴 펄스로 이동했습니다.

실리콘 조각을 용접하는 첫 번째 시도에서 인터페이스의 적외선 이미징을 사용하여 추가 제약 사항을 발견했습니다. 광학적 접촉 조건을 포함하여 인터페이스의 간격이 거의 존재하지 않는 한, 반도체의 일반적인 높은 굴절률로 인해 두 재료를 녹일 만큼 충분히 높은 에너지 밀도에 도달하는 것을 방해하는 Fabry-Perot 공동이 발생합니다. 따라서 성공적인 용접을 위해서는 상부 재료와 하부 재료 사이의 가장 긴밀한 접촉이 필요합니다.

이러한 효과를 피할 수 있는 올바른 조건을 설정한 후 우리는 실리콘-실리콘 레이저 용접에 대한 첫 번째 실험 시연을 성공적으로 수행했습니다. 최적화 프로세스 후에 우리는 나중에 이 접근 방식을 실리콘과 함께 다양한 구성의 갈륨 비소와 같은 다른 반도체로 확장할 수 있습니다. 우리는 서로 다른 공작물 간의 결합을 달성했을 뿐만 아니라 수십 MPa 정도의 강한 전단력 강도에 도달하면서 이를 달성했습니다. 이러한 값은 다른 재료의 초단거리 레이저 용접 시연 및 현재 사용되는 웨이퍼 접합 기술과 잘 비교됩니다.

현재 Laser & Photonics Reviews에 게재된 이 성공적인 실험은 기술 장벽이 확실히 제거되었음을 확인시켜 줍니다. 반도체 산업의 대체 방법과 비교할 때, 레이저 마이크로 용접의 고유한 장점은 다른 방법으로는 불가능했던 직접 쓰기 방식으로 복잡한 다중 재료 구조의 요소를 결합할 수 있다는 것입니다. 이는 전자, 중적외선 포토닉스 및 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 제조를 위한 새로운 방식으로 이어질 것입니다. 또한, 우리는 슈퍼컴퓨터나 고급 센서와 같이 가장 까다로운 마이크로 기술의 열 관리를 위한 전자 및 미세 유체 기능을 포함하여 새로운 하이브리드 칩 개념의 잠재력을 구상합니다.