本文介紹了一種利用全息技術在硅晶圓內部制造納米結構的新方法。

研究人員提出了一種在硅晶圓內部制造納米結構的新方法。傳統上，晶圓上的微結構加工，僅限于通過光刻技術在晶圓表面加工納米結構。

然而，除了晶圓表面外，晶圓內部還有足夠的空間可用于微結構制造。該研究團隊的工作，為直接在硅晶圓內部進行納米級制造開啟了大門，更容易引入先進的光子學技術，甚至可能實現在硅晶圓內完成3D納米制造的夢想。

全息投影

該團隊致力于挑戰在硅晶圓內實現復雜光學元件，以及突破激光的固有衍射極限的限制。

“在線性光學中，可實現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，這種限制就會放寬。”Tokel說，“晶圓主體內的非線性效應，與激光脈沖的空間和時間分布密切相關。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。”

通過使用空間光調制器（SLM），他們可以產生具有與貝塞爾函數相對應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，它能夠實現精確的能量定位。這導致高溫和高壓值，從而可以在小體積內對硅進行改性。

研究人員解釋說：“我們發現全息技術可以將激光束整形為無衍射的貝塞爾光束，而不是傳統的高斯光束，以在硅晶圓內部實現納米制造。”無衍射光束克服了之前阻礙精確能量沉積的散射效應，而是在晶圓內產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。“這種方法會引發各種非線性效應，并導致局部能量沉積，從而實現納米級的材料改性以及實現各種微結構的可能性。”

研究人員遵循這一步驟，產生了一種新興的播種效應（seeding effect）。在這種效應中，晶圓表面下預先形成的納米空隙，在其鄰近區域周圍產生了強烈的場增強，以實現低至100nm的特征尺寸。它基于將硅晶圓內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），然后利用類似于等離子體的新興場增強效應。

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構，以實現埋入納米光子元件的概念驗證。它為具有獨特架構的納米級系統開辟了一條新道路。

他們認為，在硅晶圓中新出現的設計自由度（超越衍射極限特征和多維控制），將在電子和光子學中得到廣泛應用，如超材料、超表面、光子晶體、信息處理應用，甚至3D集成電子光子系統。

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構的排列和對稱性，從而能以高精度創建各種納米陣列。

無需掩膜

該小組所用方法的一個顯著優勢是：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，也消除了傳統納米制造通常所需的多個制造步驟。

“從這個意義上講，復雜性被轉移到全息圖上，全息圖對激光束進行空間調制。”Tokel說，“由于我們使用了空間光調制器，全息圖可以根據需要進行更改，從而增加了制造的動態范圍。”

偏振方向

該小組還驚訝地發現，光刻結構表現出偏振方向。它與激光改性部分內納米級空隙的存在有關，類似于等離子體熱點，但位于晶圓內部。“這很令人興奮，因為如果我們能在三維空間中控制這些，它可能會實現一些重要應用。先進的控制可以實現獨特的3D結構，進而可以將其轉化為新型光學元件。想象一下，我們可以充分自由地在晶圓內部探索納米尺度光學元件，這將是一件多么令人興奮的事。”

該團隊已經通過這種方法創建了多級體光柵。“原則上，這些類型的埋入式光學元件可以與表面級器件相結合，這實現了我們稱之為‘片內’（in-chip）的新制造范式。”

未來，一個有趣的方向是整合。“我們已經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、硅光子學或其他器件相結合。我們可以應對硅光子學在光耦合方面的挑戰，或者想象多功能、多層級的器件。”

需要更多的工作

研究人員強調，他們的工作使受控的晶圓內部納米制造的初始步驟成為可能，但對于不同的應用，還有更多的工作要做。

未來的一大挑戰是加強硅晶圓內的結構控制。他們指出，“雖然我們可以制造納米平面或納米線，但創建納米級體素（像素的3D對應物）仍然超出了我們目前的能力范圍。”

另一個挑戰是實現相對于未改性晶體矩陣的高光學折射率對比，這對于開發半導體內部的3D集成的光學元件、先進波導、光子晶體或元光學應用至關重要。“這些元素之間存在著巨大的潛在整合機會。晶圓內部有足夠的空間，但仍有更多的工作要做。”

應用前景

該小組現在計劃探索光刻的基本局限性，這可以在未來轉化為先進的片內納米應用。毫不奇怪，這將需要對系統的物理學有更深入的理解。“例如，在激光與材料的相互作用過程中，我們觀察到早期的結構有助于后續結構的制造，”研究人員說，“這種現象對應于硅中的一種新播種效應（seeding effect），我們希望進一步利用這種效應。”

除此之外，該研究小組計劃利用全息領域的最新進展，如3D全息投影能力。“對激光-半導體相互作用系統的進一步控制，是一項令人興奮的挑戰，它將為各種應用鋪平道路。”