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(guò)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(tuán)隊(duì)的工作，為直接在硅晶圓內(nèi)部進(jìn)行納米級(jí)制造開(kāi)啟了大門，更容易引入先進(jìn)的光子學(xué)技術(shù)，甚至可能實(shí)現(xiàn)在硅晶圓內(nèi)完成3D納米制造的夢(mèng)想。

全息投影

該團(tuán)隊(duì)致力于挑戰(zhàn)在硅晶圓內(nèi)實(shí)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(shí)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(zhǎng)的一半。如果我們利用非線性效應(yīng)，這種限制就會(huì)放寬?！盩okel說(shuō)，“晶圓主體內(nèi)的非線性效應(yīng)，與激光脈沖的空間和時(shí)間分布密切相關(guān)。為了對(duì)這些因素進(jìn)行控制，我們的團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)的全息投影技術(shù)?！?/p>

通過(guò)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(duì)應(yīng)的強(qiáng)度模式的激光脈沖。貝塞爾光束是一種特殊光，以無(wú)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(duì)硅進(jìn)行改性。

研究人員解釋說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)全息技術(shù)可以將激光束整形為無(wú)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(shí)現(xiàn)納米制造。”無(wú)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(zhǎng)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(huì)引發(fā)各種非線性效應(yīng)，并導(dǎo)致局部能量沉積，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的材料改性以及實(shí)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(qiáng)烈的場(chǎng)增強(qiáng)，以實(shí)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(chǎng)增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)埋入納米光子元件的概念驗(yàn)證。它為具有獨(dú)特架構(gòu)的納米級(jí)系統(tǒng)開(kāi)辟了一條新道路。

他們認(rèn)為，在硅晶圓中新出現(xiàn)的設(shè)計(jì)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(xiàng)工作最酷的方面之一是，場(chǎng)增強(qiáng)一旦建立，就會(huì)通過(guò)播種機(jī)制（seeding mechanism）維持下去。激光偏振的使用進(jìn)一步控制了納米結(jié)構(gòu)的排列和對(duì)稱性，從而能以高精度創(chuàng)建各種納米陣列。

無(wú)需掩膜

該小組所用方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是：它是一種直接激光寫入方法，這意味著消除了對(duì)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(gè)制造步驟。

“從這個(gè)意義上講，復(fù)雜性被轉(zhuǎn)移到全息圖上，全息圖對(duì)激光束進(jìn)行空間調(diào)制。”Tokel說(shuō)，“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(jìn)行更改，從而增加了制造的動(dòng)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(jí)空隙的存在有關(guān)，類似于等離子體熱點(diǎn)，但位于晶圓內(nèi)部?！斑@很令人興奮，因?yàn)槿绻覀兡茉谌S空間中控制這些，它可能會(huì)實(shí)現(xiàn)一些重要應(yīng)用。先進(jìn)的控制可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的3D結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)這種方法創(chuàng)建了多級(jí)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(jí)器件相結(jié)合，這實(shí)現(xiàn)了我們稱之為‘片內(nèi)’（in-chip）的新制造范式?！?/p>

未來(lái)，一個(gè)有趣的方向是整合。“我們已經(jīng)在硅晶圓中展示了多級(jí)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(duì)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(jí)的器件。”

需要更多的工作

研究人員強(qiáng)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(duì)于不同的應(yīng)用，還有更多的工作要做。

未來(lái)的一大挑戰(zhàn)是加強(qiáng)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(jí)體素（像素的3D對(duì)應(yīng)物）仍然超出了我們目前的能力范圍?！?/p>

另一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)相對(duì)于未改性晶體矩陣的高光學(xué)折射率對(duì)比，這對(duì)于開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)部的3D集成的光學(xué)元件、先進(jìn)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(jī)會(huì)。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(jì)劃探索光刻的基本局限性，這可以在未來(lái)轉(zhuǎn)化為先進(jìn)的片內(nèi)納米應(yīng)用。毫不奇怪，這將需要對(duì)系統(tǒng)的物理學(xué)有更深入的理解?！袄?，在激光與材料的相互作用過(guò)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(shuō)，“這種現(xiàn)象對(duì)應(yīng)于硅中的一種新播種效應(yīng)（seeding effect），我們希望進(jìn)一步利用這種效應(yīng)?！?/p>

除此之外，該研究小組計(jì)劃利用全息領(lǐng)域的最新進(jìn)展，如3D全息投影能力。“對(duì)激光-半導(dǎo)體相互作用系統(tǒng)的進(jìn)一步控制，是一項(xiàng)令人興奮的挑戰(zhàn)，它將為各種應(yīng)用鋪平道路。”