硅片內部多維激光納米光刻概念

一種新方法利用空間光調制和激光脈沖在硅內部實現了精確的納米制造，創造出先進的納米結構，有望用于電子學和光子學領域。

硅是現代電子學、光伏學和光子學的基石，由于現有光刻技術帶來的挑戰，傳統上僅限于表面級納米制造。現有的方法要么無法穿透晶片表面而不造成改變，要么受限于硅激光光刻技術的微米級分辨率。

Richard Feynman有一句名言："底層大有可為(There’s plenty of room at the bottom)“，這一突破與在納米尺度上探索和操縱物質的愿景不謀而合。Bilkent團隊開發的創新技術超越了目前的限制，能夠以前所未有的控制方式控制制造深埋在硅片內部的納米結構。

納米級制造的突破

該團隊解決了硅片內部復雜光學效應和激光固有衍射極限的雙重挑戰。他們采用了一種特殊的激光脈沖，通過一種稱為空間光調制的方法產生了這種激光脈沖，從而克服了這些難題。光束的非衍射特性克服了以前阻礙精確能量沉積的光學散射效應，從而在晶片內部產生極小的局部空隙。在這一過程之后，會產生一種新興的播種效應，即預先形成的表面下納米空洞會在其鄰近周圍形成強大的場增強效應。這一新的制造機制比最先進的技術提高了一個數量級，可實現小至 100 納米的特征尺寸。

先進的納米光刻激光技術

Tokel 教授解釋道："我們的方法基于將半導體材料中的激光脈沖能量定位到極小的體積，這樣就可以利用類似于等離子體學中的新興場增強效應。這樣就可以直接在材料內部實現亞波長和多維控制。我們現在可以制造埋在硅中的納米光子元件，例如具有高衍射效率和甚至光譜控制能力的納米光柵。“

采用調制光束的納米光刻技術

通過激光偏振加強納米制造

研究人員使用了空間調制激光脈沖，在技術上相當于貝塞爾函數。利用先進的全息投影技術產生的這種特殊激光束的非衍射特性可實現精確的能量定位。這反過來又導致了足以在小體積內改變材料的高溫和高壓值。值得注意的是，由此產生的場增強一旦建立，就會通過播種型機制自我維持。簡而言之，早期納米結構的產生有助于后期納米結構的制造。激光偏振的使用為納米結構的排列和對稱性提供了額外的控制，從而能夠高精度地創建各種納米陣列。

偏振加強納米加工

該研究的第一作者Asgari Sabet博士說："通過利用激光與材料相互作用系統中的各向異性反饋機制，我們在硅中實現了偏振控制的納米光刻技術。這種能力使我們能夠在納米尺度上指導納米結構的排列和對稱。”

未來影響與應用

研究團隊展示了具有超越衍射極限特征的大面積體積納米結構，實現了概念驗證的埋入式納米光子元件。這些進展對于開發具有獨特架構的納米級系統具有重要意義。Tokel說："我們相信，可以說是最重要的技術材料中新出現的設計自由度將在電子學和光子學中找到令人興奮的應用。超衍射極限特性和多維控制意味著未來的進步，如超表面、超材料、光子晶體、眾多信息處理應用，甚至三維集成電子光子系統。"

Tokel教授總結道："我們的發現為硅引入了一種新的制造模式，直接在硅內部進行納米級制造的能力開辟了一個新的領域，即進一步集成和先進的光子學。我們現在可以開始考慮是否有可能在硅中實現完整的三維納米制造。我們的研究就是朝著這個方向邁出的第一步。“

審核編輯 黃宇