应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统和方法，包括：在半导材料表面沉积纳米金属层组成覆金属层半导体晶圆结构；将蓝宝石与覆金属层半导体晶圆片叠放，蓝宝石在上，覆金属层半导体在下，并采用自制夹具夹紧；调整振镜，将超快激光焦点聚焦在蓝宝石上方；设定扫描区域后，超快激光以预设的扫描速度和路径反复扫描，在蓝宝石与半导体材料之间建立连接区域；通过诱导产生等离激元效应，利用纳米金属层对光的强吸收，在界面位置形成熔池，促进两种材料发生融化

【技术实现步骤摘要】
应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统和方法


[0001]本专利技术涉及超快激光加工焊接领域，具体地，涉及一种应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统和方法
。

技术介绍

[0002]微机电系统
(MEMS)
，微流体等电子技术的快速发展对晶圆级别的封装技术提出了更高的要求
。
蓝宝石作为一种透明陶瓷材料对于可见光
、
电磁波等具有很好的透过率，蓝宝石与硅
、
碳化硅
、
氧化镓等半导体材料的连接决定了
MEMS、
微流体等电子器件的封装质量，并最终影响器件的性能
。
由此蓝宝石与半导体材料的连接受到了研究者的广泛关注
。
[0003]由于蓝宝石与半导体晶圆片化学性质稳定，因此他们的连接需要解决材料惰性的问题
。
蓝宝石与半导体直接键合的方法包括热压法和表面活化法，但是在
MEMS
中存在大量对温度敏感的器件单元，高温条件下实现直接键合是不合适的；另外表面预活化的多步骤
、
复杂性以及特殊气体氛围的要求都与蓝宝石与硅片连接的大规模大通量生产的需求不符
。
[0004]激光焊接凭借其可操作性高
、
加工效率高
、
连接强度高等特点，被广泛应用于异种材料的连接中
。
随着电子器件
、
汽车
、
医疗器件等领域对于精密焊接的需求，传统的激光焊接由于热影响区域大，可加工材料范围窄等缺点，已经无法满足实际的应用需求
。
[0005]超快激光指将激光脉冲压缩到皮秒甚至飞秒的激光技术
。
超快激光以多光子电离
、
隧道电离
、
雪崩电离等形式被材料吸收后，即便是透明材料也可以通过非线性吸收效应被超快激光加工
。
使用超快激光焊接异种材料表现出了加工精度高
、
热影响区域小
、
连接强度高等优点
。
[0006]使用超快激光焊接蓝宝石与半导体晶圆材料时，面临以下技术问题：
(1)
蓝宝石与半表面润湿性较差，且均为惰性材料，连接可行性较低；
(2)
半导体材料相比于蓝宝石吸收效率更高但烧蚀阈值更低，在超快激光作用过程中容易发生烧蚀和损伤，影响连接强度；
(3)
蓝宝石与半导体晶圆材料都属于脆性材料，在冷却过程中，接头位置容易产生裂纹；
(4)
蓝宝石与半导体晶圆材料的热膨胀系数差异较大，两种材料的混合区域容易出现残余应力的积累，抗热冲击性能较差
。
在超快激光焊接蓝宝石与半导体材料的领域存在获得高抗剪切强度和高抗热冲击性能接头的技术需求
。
[0007]专利文献
CN101055905A(
申请号：
CN200610039465.3)
公开了一种发光器件制造方法，其构成包括如下阶段：第一阶段：蓝宝石基板上形成氮化物半导体层；第二阶段：氮化物半导体层上部形成发光器件；第三阶段：所述发光器件的最上层形成
UBM
层；第四阶段：焊接用基板上部形成有
UBM
层，在焊接用基板的
UBM
层上部，形成有在
InSn
，
InZn
，
InAg
和
InBi
中选择一个构成的焊接物质膜；第五阶段：将所述的焊接用基板的焊接物质膜与发光器件的
UBM
层相接触，进行加热和压着
、
焊接；第六阶段：蓝宝石基板上照射激光，将蓝宝石基板从发光器件中摘除
。
然而该专利无法完全解决上述技术问题
。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统和方法
。
[0009]根据本专利技术提供的应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统，包括：激光器
、
扩束镜
、CCD
图像传感器
、
振镜
、
场镜
、
蓝宝石
、
半导体晶圆片
、
纳米金属层
、
移动平台和夹具；
[0010]沿所述激光器的激光光束方向依次布置扩束镜
、
振镜
、
场镜；
[0011]所述振镜中包含倾斜设置的反射镜，所述
CCD
图像传感器设置在所述反射镜上方，所述场镜设置在反射镜的下方，所述
CCD
图像传感器和场镜位于同一竖直轴线上；
[0012]所述移动平台设置在所述场镜下方；
[0013]所述夹具设置在所述移动平台上，用于夹紧蓝宝石与半导体晶圆片；
[0014]所述纳米金属层沉积在半导体晶圆片表面
。
[0015]优选的，所述激光器用于发射脉宽范围在
50fs
到
20ps
脉宽的脉冲激光；
[0016]所述
CCD
图像传感器用于同轴定焦；
[0017]所述振镜通过上下移动控制焦点位置；
[0018]所述扩束镜与场镜用于调教焦深和焦点尺寸大小；
[0019]所述移动平台用于调整焊接位置
。
[0020]根据本专利技术提供的应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接方法，执行如下步骤：
[0021]步骤1：在半导材料表面沉积纳米金属层组成覆金属层半导体晶圆结构；
[0022]步骤2：将蓝宝石与覆金属层半导体晶圆片叠放，蓝宝石在上，覆金属层半导体在下，并采用自制夹具夹紧；
[0023]步骤3：调整振镜，将超快激光焦点聚焦在蓝宝石上方；
[0024]步骤4：设定扫描区域后，超快激光以预设的扫描速度和路径反复扫描，在蓝宝石与半导体之间建立连接区域
。
[0025]优选的，沉积纳米金属层为银
、
铜
、
铝
、
镍
、
铂
、
铬
、
锰
、
钛中的一种
。
[0026]优选的，沉积纳米金属层厚度为
5nm
～2μ
m。
[0027]优选的，沉积纳米金属层形貌为纳米颗粒
、
纳米薄膜
、
纳米线
、
纳米棒
、
纳米片中的任意一种或几种的混合
。
[0028]优选的，所述半导体晶圆厚度为
0.1mm
～
1cm。
[0029]优选的，两晶圆片被夹紧至间距小于1μ
m
，达到光学接触的条件
。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统，其特征在于，包括：激光器
(1)、
扩束镜
(2)、CCD
图像传感器
(3)、
振镜
(4)、
场镜
(5)、
蓝宝石
(6)、
半导体晶圆片
(7)、
纳米金属层
(8)、
移动平台
(9)
和夹具
(10)
；沿所述激光器
(1)
的激光光束方向依次布置扩束镜
(2)、
振镜
(4)、
场镜
(5)
；所述振镜
(4)
中包含倾斜设置的反射镜，所述
CCD
图像传感器
(3)
设置在所述反射镜上方，所述场镜
(5)
设置在反射镜的下方，所述
CCD
图像传感器
(3)
和场镜
(5)
位于同一竖直轴线上；所述移动平台
(9)
设置在所述场镜
(5)
下方；所述夹具
(10)
设置在所述移动平台
(9)
上，用于夹紧蓝宝石
(6)
与半导体晶圆片
(7)
；所述纳米金属层
(8)
沉积在半导体晶圆片
(7)
表面
。2.
根据权利要求1所述的应用于蓝宝石与半导体的超快激光焊接系统，其特征在于，所述激光器
(1)
用于发射脉宽范围在
50fs
到
20ps
脉宽的脉冲激光；所述
CCD
图像传感器
(3)
用于同轴定焦；所述振镜
(4)
通过上下移动控制焦点位置；所述扩束镜
(2)
与场镜
(5)
用于调教焦深和焦点尺寸大小；所述移动平台
(9)
用于调整焊接位置
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林路禅，胡一帆，李铸国，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：