Transformation du silicium : une avancée dans la nanofabrication laser

Une nouvelle méthode permet une nanofabrication précise à l'intérieur du silicium en utilisant une modulation spatiale de la lumière et des impulsions laser, créant des nanostructures avancées pour une utilisation potentielle en électronique et en photonique.

Le silicium, pierre angulaire de l'électronique, du photovoltaïque et de la photonique modernes, a traditionnellement été limité à la nanofabrication au niveau de la surface en raison des défis posés par les techniques lithographiques existantes. Les méthodes disponibles ne parviennent pas à pénétrer la surface de la plaquette sans provoquer d'altérations ou sont limitées par la résolution à l'échelle du micron de la lithographie laser dans le silicium.

Dans l'esprit du célèbre dicton de Richard Feynman, « Il y a beaucoup d'espace en bas », cette percée s'aligne sur la vision d'explorer et de manipuler la matière au plus profond de l'univers. échelle nanométriqueLa technique innovante développée par l’équipe Bilkent dépasse les limites actuelles, permettant la fabrication contrôlée de nanostructures enfouies profondément à l’intérieur des plaquettes de silicium avec un contrôle sans précédent.

Une avancée majeure dans la fabrication à l'échelle nanométrique

L'équipe a relevé le double défi des effets optiques complexes au sein de la plaquette et de la limite de diffraction inhérente à la lumière laser. Ils ont surmonté ces problèmes en utilisant un type spécial d'impulsion laser, créé par une approche appelée modulation spatiale de la lumière. La nature non diffractante du faisceau surmonte les effets de diffusion optique qui ont jusqu'à présent entravé le dépôt précis de l'énergie, induisant des vides extrêmement petits et localisés à l'intérieur de la plaquette. Ce processus est suivi d'un effet d'ensemencement émergent, où des nano-vides sous-jacents préformés établissent une forte amélioration du champ autour de leur voisinage immédiat. Ce nouveau régime de fabrication marque une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport à l'état de l'art, permettant d'obtenir des tailles de caractéristiques allant jusqu'à 100 nm.

Techniques laser avancées pour la nanolithographie

« Notre approche repose sur la localisation de l’énergie de l’impulsion laser dans un matériau semi-conducteur dans un volume extrêmement petit, de sorte que l’on puisse exploiter des effets d’amélioration de champ émergents analogues à ceux de la plasmonique. Cela conduit à un contrôle sous-longueur d’onde et multidimensionnel directement à l’intérieur du matériau », explique le professeur Tokel. « Nous pouvons désormais fabriquer des éléments nanophotoniques enfouis dans le silicium, tels que des nanoréseaux avec une efficacité de diffraction élevée et même un contrôle spectral. »

Amélioration de la nanofabrication grâce à la polarisation laser

Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser modulées spatialement, correspondant techniquement à une fonction de Bessel. La nature non diffractante de ce faisceau laser spécial, créé à l'aide de techniques avancées de projection holographique, permet une localisation précise de l'énergie. Cela conduit à des valeurs de température et de pression suffisamment élevées pour modifier le matériau à un petit volume. Il est remarquable que l'amélioration du champ résultant, une fois établie, se maintienne grâce à un mécanisme de type « seeding ». En termes simples, la création de nanostructures antérieures aide à fabriquer les nanostructures ultérieures. L'utilisation de la polarisation laser offre un contrôle supplémentaire sur l'alignement et la symétrie des nanostructures, ce qui permet de créer divers nano-réseaux avec une grande précision.

« En exploitant le mécanisme de rétroaction anisotrope présent dans le système d'interaction laser-matériau, nous avons obtenu une nanolithographie à polarisation contrôlée dans le silicium », a déclaré le Dr Asgari Sabet, premier auteur de l'étude. « Cette capacité nous permet de guider l'alignement et la symétrie des nanostructures à l'échelle nanométrique. »

Implications et applications futures

L'équipe de recherche a démontré une nanostructuration volumétrique à grande surface avec des caractéristiques au-delà de la limite de diffraction, permettant la preuve de concept d'éléments nanophotoniques enterrés. Ces avancées ont des implications importantes pour le développement de systèmes à l'échelle nanométrique avec des architectures uniques. « Nous pensons que la liberté de conception émergente dans le matériau technologique le plus important trouvera des applications passionnantes dans l'électronique et la photonique », a déclaré Tokel. « Les caractéristiques au-delà de la limite de diffraction et le contrôle multidimensionnel impliquent des avancées futures, telles que les métasurfaces, métamatériauxdes cristaux photoniques, de nombreuses applications de traitement de l’information et même des systèmes électroniques-photoniques intégrés en 3D. »

Remarques finales sur les innovations en matière de fabrication à l’échelle nanométrique

« Nos résultats ouvrent la voie à un nouveau paradigme de fabrication du silicium », conclut le professeur Tokel. « La capacité de fabriquer à l’échelle nanométrique directement à l’intérieur du silicium ouvre la voie à une nouvelle intégration et à une photonique avancée. Nous pouvons maintenant commencer à nous demander si une nanofabrication tridimensionnelle complète en silicium est possible. Notre étude est la première étape dans cette direction. »

L'équipe de recherche est composée de Rana Asgari Sabet, Aqiq Ishraq, Alperen Saltik, Mehmet Bütün et Onur Tokel, tous affiliés au Département de physique et au Centre national de recherche en nanotechnologie de l'Université de Bilkent. Leur expertise couvre divers domaines, notamment l'optique, la science des matériaux et la nanotechnologie.

Financement : Cette étude est soutenue par le Conseil de recherche scientifique et technologique de Turquie (TUBITAK) et l'Académie turque des sciences.