Utilizzo dei laser per legare componenti elettronici a semiconduttore

Dialogo del 5 dicembre 2022

di Pol Sopeña e David Grojo

Oggi i laser sono ben radicati nella vita quotidiana, anche se a volte è difficile dire cosa e dove si trovino. Ad esempio, possiamo trovarli nei lettori CD/DVD o in applicazioni mediche come il cancro e la chirurgia oculare, essendo strumenti essenziali in una vasta gamma di campi multidisciplinari. Tutto questo è il risultato di un costante progresso e sviluppo, dal primo laser a rubino di Maiman (1960) ai laser ad attosecondi, passando per dimostrazioni esotiche e divertenti come i laser Jell-O.

Nella ricerca per ottenere sorgenti costantemente più intense, i laser ultracorti (con impulsi nel regime dei femtosecondi) hanno rappresentato un chiaro passo avanti, poiché hanno consentito l’erogazione ad alta intensità in spazi ristretti su scala nanometrica. In particolare, consentono di indurre fenomeni di assorbimento non lineare che, ad esempio, permettono di modificare localmente l'interno di materiali trasparenti con un basso budget termico, non ottenibile con altre sorgenti laser. Alcune dimostrazioni includono la scrittura di guide d'onda negli occhiali o la creazione di modelli complessi 3D con polimeri.

I laser ultraveloci hanno aperto la strada alla saldatura di materiali trasparenti impilati irradiando attraverso quello superiore e concentrandosi sull'interfaccia tra di loro. L'elevata intensità provoca una fusione locale quasi istantanea e la successiva risolidificazione, miscelazione e legame di entrambi i materiali. Ciò è stato dimostrato con diversi materiali tra cui vetri, polimeri, ceramica e metalli in diverse configurazioni.

Anche se la saldatura laser ultraveloce troverebbe sicuramente applicazioni immediate nella microelettronica, è sorprendente rendersi conto che il processo non è direttamente applicabile all’incollaggio di diversi pezzi semiconduttori. Le elevate intensità richieste per la modificazione interna del vetro determinano forti non linearità di propagazione nei semiconduttori a causa del loro piccolo gap di banda, che tende a defocalizzare e delocalizzare l'intensa radiazione infrarossa.

Per affrontare questa sfida abbiamo dovuto pensare fuori dagli schemi e quello che all’inizio sembrava un passo indietro si è rivelato un’alternativa di successo. Nel taglio invisibile dei wafer di silicio, gli impulsi infrarossi dei nanosecondi vengono utilizzati per creare difetti all'interno del silicio che successivamente fungono da punti deboli per produrre tagli netti. Gli impulsi relativamente lunghi hanno intensità inferiori rispetto a quelli ultracorti, evitando non linearità indesiderate di propagazione, ma allo stesso tempo possono essere assorbiti nel punto focale mediante assorbimento di due fotoni. Sulla base di ciò, siamo passati a impulsi più lunghi utilizzando queste modifiche interne non come difetti ma come forti punti di legame.

Durante le nostre prime prove di saldatura di pezzi di silicio, utilizzando l'imaging a infrarossi dell'interfaccia, abbiamo riscontrato un ulteriore vincolo. A meno che il divario all’interfaccia non sia quasi inesistente, comprese le condizioni di contatto ottico, l’alto indice di rifrazione tipico dei semiconduttori si traduce in una cavità di Fabry-Perot che impedisce di raggiungere una densità di energia sufficientemente elevata per fondere entrambi i materiali. Pertanto, per ottenere una saldatura di successo è necessario il contatto più intimo tra i materiali superiore e inferiore.

Dopo aver creato le giuste condizioni per aggirare questi effetti, abbiamo realizzato con successo la prima dimostrazione sperimentale della saldatura laser silicio-silicio. Dopo un processo di ottimizzazione, potremmo successivamente estendere questo approccio ad altri semiconduttori come l’arseniuro di gallio in diverse configurazioni insieme al silicio. Non solo siamo riusciti a ottenere l'incollaggio tra diversi pezzi, ma lo abbiamo fatto raggiungendo elevate forze di taglio nell'ordine di diverse decine di MPa. Questi valori si confrontano bene con le dimostrazioni di saldatura laser ultracorta di altri materiali e con le tecniche attualmente impiegate di incollaggio dei wafer.

Questo esperimento di successo, ora pubblicato su Laser & Photonics Reviews, conferma una barriera tecnologica che è stata definitivamente eliminata. Rispetto ai metodi alternativi nell’industria dei semiconduttori, un vantaggio unico della microsaldatura laser è la capacità di unire elementi con complesse architetture multimateriale in modalità di scrittura diretta che altrimenti non sarebbe possibile. Ciò dovrebbe portare a nuove modalità di produzione nel campo dell’elettronica, della fotonica del medio infrarosso e dei sistemi microelettromeccanici (MEMS). Inoltre, prevediamo il potenziale dei concetti emergenti di chip ibridi, comprese le funzioni elettroniche e microfluidiche per la gestione termica delle microtecnologie più esigenti, come supercomputer o sensori avanzati.