Des microsoudures laser sur des matériaux semiconducteurs
Des chercheurs du laboratoire Lasers, plasmas et procédés photoniques ont réalisé pour la première fois des soudures laser sur du silicium et d'autres matériaux semiconducteurs. Ces résultats ouvrent une voie nouvelle pour la fabrication de dispositifs électroniques et photoniques, de Mems, ou encore de puces hybrides embarquant des fonctions électroniques et microfluidiques.
La soudure par laser est de plus en plus utilisée pour l'assemblage de verres, de céramiques ou de polymères. Les lasers à impulsions ultra-courtes, en particulier, permettent de déposer de l'énergie avec une haute résolution. Mais cette technique n'était jusqu'à présent pas utilisable pour souder des semiconducteurs, car leur interaction avec les impulsions brèves produit des phénomènes optiques non-linéaires qui empêchent de concentrer suffisamment l'énergie lumineuse.
Ce verrou pourrait être levé, grâce aux expérimentations menées par une équipe du laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques (LP3, CNRS/Aix-Marseille Université), qui a, pour la première fois, réalisé de manière satisfaisante des soudures silicium/silicium, et silicium/arséniure de gallium. Ces résultats sont publiés dans la revue Laser & Photonics Reviews.
Des modifications à l’intérieur du silicium à l'aide d'un laser femtoseconde (1 femtoseconde = 10-15 s) tel qu’utilisé pour le microsoudage de la plupart des autres matériaux, avaient déjà été réalisées. Mais elles nécessitent des conditions de focalisations non-conventionnelles. Les autres solutions pour la soudure utilisent une couche d'un matériau absorbant à l’interface, ce qui n'est également pas compatible avec les applications les plus exigeantes.
Plutôt que de recourir à un laser à impulsions femtosecondes, les physiciens du LP3 ont choisi un laser nanosecondes (10-9 s), qui garde une résolution suffisante tout en éliminant les phénomènes non-linéaires qui perturbent la concentration de l'énergie lumineuse. Ils ont ainsi soudé directement des wafers (plaques) de silicium entre elles, et des wafers de silicium et d'arséniure de gallium (autre semiconducteur). Les soudures par laser ont une résistance au cisaillement du même ordre que celle obtenue par les méthodes habituelles d'assemblage de wafers. Et le procédé est nettement moins complexe à mettre en œuvre.
C'est pourquoi ces résultats permettent d'envisager de nouvelles techniques de fabrication de dispositifs électroniques ou photoniques, de Mems (Micro electro-mechanical systems), ou encore de puces hybrides intégrant des fonctions électroniques et microfluidiques pour le refroidissement de circuits hautes performances. Des discussions sont en cours avec des industriels de la microélectronique et des fabricants de machine laser.
© LP3
Références
Transmission laser welding of similar and dissimilar semiconductor materials
Pol Sopeña, Andong Wang, Alexandros Mouskeftaras, and David Grojo
Laser & Photonics Reviews (sous presse)
https://doi.org/10.1002/lpor.202200208
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