研究人员使用空间光调制来创建针状激光束 在硅片内部进行3D结构制造

该技术依赖于硅对某些波长的光透明这一事实。这意味着合适的激光可以穿过晶圆表面并与下面的硅相互作用。但设计一种既可以穿过表面又不会造成损坏、还能在下面进行精确纳米级制造的激光并不简单。

土耳其安卡拉比尔肯特大学的研究人员通过使用空间光调制来创建针状激光束，从而更好地控制光束能量的分布位置，从而实现了这一目标。通过利用激光和硅之间的物理相互作用，他们能够制造具有不同光学特性的线和平面，这些线和平面可以组合起来在表面下创建纳米光子元件。

使用激光在硅片内部进行制造并非新鲜事。但领导这项研究的比尔肯特大学物理学助理教授Onur Tokel解释说，到目前为止，只能制造出微米级结构。他说，将这种方法扩展到纳米级可以释放新的能力，因为它可以制造出与入射光波长大小相当的特征。当这种情况发生时，这些结构会表现出一系列新颖的光学行为，除其他外，这使得制造超材料和超表面成为可能。

“硅是电子、光子学和光伏技术的基石， Tokel说。“如果我们能在纳米级晶圆内部引入额外的功能，以补充这些现有的功能，这将带来一个完全不同的范例。现在你可以想象在体积内做事，甚至可能最终在三维空间中做事。我们相信这将开辟令人兴奋的新方向。”

以前的技术无法在纳米尺度上制造，因为激光一旦进入硅内部就会散射，很难精确地沉积能量。在《自然通讯》杂志发表的一篇论文中，托克尔的团队展示了他们可以通过使用一种称为贝塞尔光束的特殊激光来解决这个问题，这种激光不会发生衍射。这意味着激光可以对抗光散射效应，在硅内部保持狭窄的聚焦，从而可以精确地沉积能量。

当激光照射到晶圆上时，会在光束聚焦的区域产生微小的孔洞，即空隙。Tokel说，以前的方法也出现过这种情况，但聚焦更紧密的光束产生的较小空隙会表现出“场增强”效应，导致激光强度在它们周围增加。这会改变空隙周围的硅结构，从而进一步增强增强效应，形成一个自持反馈回路。该团队还发现，他们可以通过改变激光的偏振来改变场增强的方向。

最终结果是在硅片中创建出最小 100 纳米的二维平面或线状结构。这些结构的折射率与晶圆的其余部分不同，但 Tokel 表示，目前还不完全清楚这些结构的组成。根据之前的研究，他认为硅片的底层晶体结构可能已被修改。他补充说，电子显微镜研究应该能够在未来澄清这一点，但最终没有必要了解这些结构的确切底层性质来创建有用的纳米光子元件。

为了证明这一点，研究人员制造了一种纳米级光子器件，称为布拉格光栅，可用作光学滤波器。据该团队称，这是第一个完全埋在硅中的功能性纳米级光学元件。

德国耶拿大学研究员Maxime Chambonneau表示，研究人员能够实现纳米级特征非常了不起，因为 Tokel 团队使用的相对较长的激光脉冲通常会产生较大的热影响区，从而导致微尺度变化。（Bilkent 团队采用以纳秒为单位的脉冲，而其他直接激光写入工作传统上涉及皮秒或飞秒激光。）Chambonneau 表示，能够创建小于光波的特征可能会带来各种可能性，包括提高太阳能电池的能量收集能力。

由于该制造技术不会对晶圆表面造成任何改变， Tokel表示，未来该技术可用于制造多功能设备，电子元件位于表面，光子元件埋在下面。该团队还在研究该方法是否可用于在芯片表面下雕刻微流体通道。托克尔表示，通过这些通道泵送流体可以改善散热，从而有助于冷却电子设备并使其运行得更快。

Tokel表示，这种方法的最大限制在于研究人员无法精确控制空洞在特定区域出现的位置。目前，一小部分空洞在激光束聚焦的区域中分布不均匀。托克尔表示，如果他们能够更精确地定位这些空洞，他们就能在三维空间中进行纳米加工，而不仅仅是简单地生产出线条或平面。

“如果你能单独控制这些东西，并将它们像链条一样分发，那么未来这将非常令人兴奋，”他补充道。“因为这样你将拥有更多的控制权，这将使更丰富的元素或系统成为可能。”