本文介紹了一種利用全息技術(shù)在硅晶圓內(nèi)部制造納米結(jié)構(gòu)的新方法。

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。該研究團隊的工作，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(xué)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

該團隊致力于挑戰(zhàn)在硅晶圓內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)元件，以及突破激光的固有衍射極限的限制。

“在線性光學(xué)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(yīng)，這種限制就會放寬。”Tokel說，“晶圓主體內(nèi)的非線性效應(yīng)，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)?！?/p>

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(yīng)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(dǎo)致高溫和高壓值，從而可以在小體積內(nèi)對硅進行改性。

研究人員解釋說：“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?！睙o衍射光束克服了之前阻礙精確能量沉積的散射效應(yīng)，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。“這種方法會引發(fā)各種非線性效應(yīng)，并導(dǎo)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?！?/p>

研究人員遵循這一步驟，產(chǎn)生了一種新興的播種效應(yīng)（seeding effect）。在這種效應(yīng)中，晶圓表面下預(yù)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(dāng)），然后利用類似于等離子體的新興場增強效應(yīng)。

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。

他們認為，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(xué)中得到廣泛應(yīng)用，如超材料、超表面、光子晶體、信息處理應(yīng)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(fù)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?！?/p>

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?！斑@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(yīng)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(xué)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(xué)元件，這將是一件多么令人興奮的事?！?/p>

該團隊已經(jīng)通過這種方法創(chuàng)建了多級體光柵?！霸瓌t上，這些類型的埋入式光學(xué)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?！拔覀円呀?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(xué)或其他器件相結(jié)合。我們可以應(yīng)對硅光子學(xué)在光耦合方面的挑戰(zhàn)，或者想象多功能、多層級的器件?！?/p>

需要更多的工作

研究人員強調(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(yīng)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。他們指出，“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(yīng)物）仍然超出了我們目前的能力范圍?！?/p>

另一個挑戰(zhàn)是實現(xiàn)相對于未改性晶體矩陣的高光學(xué)折射率對比，這對于開發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)部的3D集成的光學(xué)元件、先進波導(dǎo)、光子晶體或元光學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要?！斑@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(yīng)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(yīng)用。毫不奇怪，這將需要對系統(tǒng)的物理學(xué)有更深入的理解?！袄纾诩す馀c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，”研究人員說，“這種現(xiàn)象對應(yīng)于硅中的一種新播種效應(yīng)（seeding effect），我們希望進一步利用這種效應(yīng)。”

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?！皩す?半導(dǎo)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(yīng)用鋪平道路?！?/p>