文/Sally Cole Johnson

圖1：研究人員和他們的實驗裝置。（圖片來源：比爾肯特大學光子器件實驗室）

土耳其比爾肯特大學的研究人員提出了一種在硅晶圓內(nèi)部制造納米結(jié)構(gòu)的新方法。傳統(tǒng)上，晶圓上的微結(jié)構(gòu)加工，僅限于通過光刻技術(shù)在晶圓表面加工納米結(jié)構(gòu)。

然而，除了晶圓表面外，晶圓內(nèi)部還有足夠的空間可用于微結(jié)構(gòu)制造，這正是物理學教授Onur Tokel和他的團隊選擇利用的空間。Tokel教授團隊的工作，為直接在硅晶圓內(nèi)部進行納米級制造開啟了大門，更容易引入先進的光子學技術(shù)，甚至可能實現(xiàn)在硅晶圓內(nèi)完成3D納米制造的夢想。

全息投影

Tokel教授的團隊致力于挑戰(zhàn)在硅晶圓內(nèi)實現(xiàn)復雜光學元件，以及突破激光的固有衍射極限的限制。

“在線性光學中，可實現(xiàn)的最小特征尺寸由衍射極限決定，衍射極限最多是激光波長的一半。如果我們利用非線性效應，這種限制就會放寬。”Tokel說，“晶圓主體內(nèi)的非線性效應，與激光脈沖的空間和時間分布密切相關(guān)。為了對這些因素進行控制，我們的團隊使用了先進的全息投影技術(shù)。”

通過使用空間光調(diào)制器（SLM），他們可以產(chǎn)生具有與貝塞爾函數(shù)相對應的強度模式的激光脈沖。貝塞爾光束是一種特殊光，以無衍射的形式傳播，在這種情況下，它能夠?qū)崿F(xiàn)精確的能量定位。這導致高溫和高壓值，從而可以在小體積內(nèi)對硅進行改性。

Tokel解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)全息技術(shù)可以將激光束整形為無衍射的貝塞爾光束，而不是傳統(tǒng)的高斯光束，以在硅晶圓內(nèi)部實現(xiàn)納米制造。”無衍射光束克服了之前阻礙精確能量沉積的散射效應，而是在晶圓內(nèi)產(chǎn)生了極小的局部空隙。

使用波長為1550nm的激光脈沖，晶圓在該波段是透明的，這意味著脈沖可以穿透硅晶圓而不改變其表面。Tokel說：“這種方法會引發(fā)各種非線性效應，并導致局部能量沉積，從而實現(xiàn)納米級的材料改性以及實現(xiàn)各種微結(jié)構(gòu)的可能性。”

圖2：研究人員Rana Asgari Sabet在硅中進行激光寫入實驗。（圖片來源：比爾肯特大學光子器件實驗室）

研究人員遵循這一步驟，產(chǎn)生了一種新興的播種效應（seeding effect）。在這種效應中，晶圓表面下預先形成的納米空隙，在其鄰近區(qū)域周圍產(chǎn)生了強烈的場增強，以實現(xiàn)低至100nm的特征尺寸。它基于將硅晶圓內(nèi)的激光脈沖能量定位到極小的體積（與納米粒子的體積相當），然后利用類似于等離子體的新興場增強效應。

研究人員展示了具有超越衍射極限特征的大面積體納米結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)埋入納米光子元件的概念驗證。它為具有獨特架構(gòu)的納米級系統(tǒng)開辟了一條新道路。

Tokel認為，在硅晶圓中新出現(xiàn)的設(shè)計自由度（超越衍射極限特征和多維控制），將在電子和光子學中得到廣泛應用，如超材料、超表面、光子晶體、信息處理應用，甚至3D集成電子光子系統(tǒng)。

這項工作最酷的方面之一是，場增強一旦建立，就會通過播種機制（seeding mechanism）維持下去。激光偏振的使用進一步控制了納米結(jié)構(gòu)的排列和對稱性，從而能以高精度創(chuàng)建各種納米陣列。

無需掩膜

該小組所用方法的一個顯著優(yōu)勢是：它是一種直接激光寫入方法，這意味著消除了對任何掩模的需求，也消除了傳統(tǒng)納米制造通常所需的多個制造步驟。

“從這個意義上講，復雜性被轉(zhuǎn)移到全息圖上，全息圖對激光束進行空間調(diào)制。”Tokel說，“由于我們使用了空間光調(diào)制器，全息圖可以根據(jù)需要進行更改，從而增加了制造的動態(tài)范圍。”

偏振方向

該小組還驚訝地發(fā)現(xiàn)，光刻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出偏振方向。它與激光改性部分內(nèi)納米級空隙的存在有關(guān)，類似于等離子體熱點，但位于晶圓內(nèi)部。Tokel說：“這很令人興奮，因為如果我們能在三維空間中控制這些，它可能會實現(xiàn)一些重要應用。先進的控制可以實現(xiàn)獨特的3D結(jié)構(gòu)，進而可以將其轉(zhuǎn)化為新型光學元件。想象一下，我們可以充分自由地在晶圓內(nèi)部探索納米尺度光學元件，這將是一件多么令人興奮的事。”

該團隊已經(jīng)通過這種方法創(chuàng)建了多級體光柵。Tokel說：“原則上，這些類型的埋入式光學元件可以與表面級器件相結(jié)合，這實現(xiàn)了我們稱之為‘片內(nèi)’（in-chip）的新制造范式。”

未來，一個有趣的方向是整合。Tokel說：“我們已經(jīng)在硅晶圓中展示了多級納米制造，這使得體布拉格光柵成為可能。原則上，這可以與表面制造、硅光子學或其他器件相結(jié)合。我們可以應對硅光子學在光耦合方面的挑戰(zhàn)，或者想象多功能、多層級的器件。”

圖3：該小組實驗室的廣角視圖。（圖片來源：比爾肯特大學光子器件實驗室）

需要更多的工作

Tokel強調(diào)，他們的工作使受控的晶圓內(nèi)部納米制造的初始步驟成為可能，但對于不同的應用，還有更多的工作要做。

未來的一大挑戰(zhàn)是加強硅晶圓內(nèi)的結(jié)構(gòu)控制。Tokel指出，“雖然我們可以制造納米平面或納米線，但創(chuàng)建納米級體素（像素的3D對應物）仍然超出了我們目前的能力范圍。”

另一個挑戰(zhàn)是實現(xiàn)相對于未改性晶體矩陣的高光學折射率對比，這對于開發(fā)半導體內(nèi)部的3D集成的光學元件、先進波導、光子晶體或元光學應用至關(guān)重要。Tokel表示：“這些元素之間存在著巨大的潛在整合機會。晶圓內(nèi)部有足夠的空間，但仍有更多的工作要做。”

應用前景

該小組現(xiàn)在計劃探索光刻的基本局限性，這可以在未來轉(zhuǎn)化為先進的片內(nèi)納米應用。毫不奇怪，這將需要對系統(tǒng)的物理學有更深入的理解。“例如，在激光與材料的相互作用過程中，我們觀察到早期的結(jié)構(gòu)有助于后續(xù)結(jié)構(gòu)的制造，”Tokel說，“這種現(xiàn)象對應于硅中的一種新播種效應（seeding effect），我們希望進一步利用這種效應。”

除此之外，該研究小組計劃利用全息領(lǐng)域的最新進展，如3D全息投影能力。Tokel補充道：“對激光-半導體相互作用系統(tǒng)的進一步控制，是一項令人興奮的挑戰(zhàn)，它將為各種應用鋪平道路。”

文章來源：LPKF樂普科

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學習之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。