利用全息技术在硅晶圆内部制造纳米结构的新方法

本文介绍了一种利用全息技术在硅晶圆内部制造纳米结构的新方法。

研究人员提出了一种在硅晶圆内部制造纳米结构的新方法。传统上，晶圆上的微结构加工，仅限于通过光刻技术在晶圆表面加工纳米结构。

然而，除了晶圆表面外，晶圆内部还有足够的空间可用于微结构制造。该研究团队的工作，为直接在硅晶圆内部进行纳米级制造开启了大门，更容易引入先进的光子学技术，甚至可能实现在硅晶圆内完成3D纳米制造的梦想。

全息投影

该团队致力于挑战在硅晶圆内实现复杂光学元件，以及突破激光的固有衍射极限的限制。

“在线性光学中，可实现的最小特征尺寸由衍射极限决定，衍射极限最多是激光波长的一半。如果我们利用非线性效应，这种限制就会放宽。”Tokel说，“晶圆主体内的非线性效应，与激光脉冲的空间和时间分布密切相关。为了对这些因素进行控制，我们的团队使用了先进的全息投影技术。”

通过使用空间光调制器（SLM），他们可以产生具有与贝塞尔函数相对应的强度模式的激光脉冲。贝塞尔光束是一种特殊光，以无衍射的形式传播，在这种情况下，它能够实现精确的能量定位。这导致高温和高压值，从而可以在小体积内对硅进行改性。

研究人员解释说：“我们发现全息技术可以将激光束整形为无衍射的贝塞尔光束，而不是传统的高斯光束，以在硅晶圆内部实现纳米制造。”无衍射光束克服了之前阻碍精确能量沉积的散射效应，而是在晶圆内产生了极小的局部空隙。

使用波长为1550nm的激光脉冲，晶圆在该波段是透明的，这意味着脉冲可以穿透硅晶圆而不改变其表面。“这种方法会引发各种非线性效应，并导致局部能量沉积，从而实现纳米级的材料改性以及实现各种微结构的可能性。”

研究人员遵循这一步骤，产生了一种新兴的播种效应（seeding effect）。在这种效应中，晶圆表面下预先形成的纳米空隙，在其邻近区域周围产生了强烈的场增强，以实现低至100nm的特征尺寸。它基于将硅晶圆内的激光脉冲能量定位到极小的体积（与纳米粒子的体积相当），然后利用类似于等离子体的新兴场增强效应。

研究人员展示了具有超越衍射极限特征的大面积体纳米结构，以实现埋入纳米光子元件的概念验证。它为具有独特架构的纳米级系统开辟了一条新道路。

他们认为，在硅晶圆中新出现的设计自由度（超越衍射极限特征和多维控制），将在电子和光子学中得到广泛应用，如超材料、超表面、光子晶体、信息处理应用，甚至3D集成电子光子系统。

这项工作最酷的方面之一是，场增强一旦建立，就会通过播种机制（seeding mechanism）维持下去。激光偏振的使用进一步控制了纳米结构的排列和对称性，从而能以高精度创建各种纳米阵列。

无需掩膜

该小组所用方法的一个显著优势是：它是一种直接激光写入方法，这意味着消除了对任何掩模的需求，也消除了传统纳米制造通常所需的多个制造步骤。

“从这个意义上讲，复杂性被转移到全息图上，全息图对激光束进行空间调制。”Tokel说，“由于我们使用了空间光调制器，全息图可以根据需要进行更改，从而增加了制造的动态范围。”

偏振方向

该小组还惊讶地发现，光刻结构表现出偏振方向。它与激光改性部分内纳米级空隙的存在有关，类似于等离子体热点，但位于晶圆内部。“这很令人兴奋，因为如果我们能在三维空间中控制这些，它可能会实现一些重要应用。先进的控制可以实现独特的3D结构，进而可以将其转化为新型光学元件。想象一下，我们可以充分自由地在晶圆内部探索纳米尺度光学元件，这将是一件多么令人兴奋的事。”

该团队已经通过这种方法创建了多级体光栅。“原则上，这些类型的埋入式光学元件可以与表面级器件相结合，这实现了我们称之为‘片内’（in-chip）的新制造范式。”

未来，一个有趣的方向是整合。“我们已经在硅晶圆中展示了多级纳米制造，这使得体布拉格光栅成为可能。原则上，这可以与表面制造、硅光子学或其他器件相结合。我们可以应对硅光子学在光耦合方面的挑战，或者想象多功能、多层级的器件。”

需要更多的工作

研究人员强调，他们的工作使受控的晶圆内部纳米制造的初始步骤成为可能，但对于不同的应用，还有更多的工作要做。

未来的一大挑战是加强硅晶圆内的结构控制。他们指出，“虽然我们可以制造纳米平面或纳米线，但创建纳米级体素（像素的3D对应物）仍然超出了我们目前的能力范围。”

另一个挑战是实现相对于未改性晶体矩阵的高光学折射率对比，这对于开发半导体内部的3D集成的光学元件、先进波导、光子晶体或元光学应用至关重要。“这些元素之间存在着巨大的潜在整合机会。晶圆内部有足够的空间，但仍有更多的工作要做。”

应用前景

该小组现在计划探索光刻的基本局限性，这可以在未来转化为先进的片内纳米应用。毫不奇怪，这将需要对系统的物理学有更深入的理解。“例如，在激光与材料的相互作用过程中，我们观察到早期的结构有助于后续结构的制造，”研究人员说，“这种现象对应于硅中的一种新播种效应（seeding effect），我们希望进一步利用这种效应。”

除此之外，该研究小组计划利用全息领域的最新进展，如3D全息投影能力。“对激光-半导体相互作用系统的进一步控制，是一项令人兴奋的挑战，它将为各种应用铺平道路。”