研究人員在半導體材料內部寫入結構，展示了3D激光寫入方法在推動半導體制造從2D向高密度3D集成器件發展方面的巨大潛力。

圖1：將紅外超快脈沖的能量分割，形成強度較低的脈沖串，優化局域激發。通過使用 “足夠快”的脈沖串，積累足夠的能量達到材料改性閾值，在半導體芯片內部寫入功能結構。

法國國家科學研究中心LP3實驗室的一個研究團隊，最近開發了一種可以在硅或砷化鎵半導體芯片內部實現3D激光寫入的技術。這是激光加工領域的一項重大進步，因為該技術使微電子行業對晶圓的探索，從表面延伸到了晶圓內部。

當超快激光脈沖在半導體內部聚焦時，沿光束路徑的非線性電離會誘導產生不透明的等離子體，使其無法達到足夠的能量以進行材料內部寫入。但該團隊通過超快激光脈沖串模式輸出，避免了這些強非線性效應（見圖1）。

LP3實驗室的博士后Andong Wang說：“我們使用的脈沖串重復頻率達到太赫茲量級，這意味著兩個相鄰脈沖之間的時間是亞皮秒。”

亞皮秒的時間尺度非常短，相當于人類眨眼時間的10億分之一。得益于這種超快的脈沖串模式，激光能量可以從一個脈沖到另一個脈沖有效地積累，直到達到對材料進行改性的閾值。因此，研究人員可以在各種半導體內部寫入3D結構。

“實現半導體芯片內部3D激光寫入是我們的工作目標，”這項工作的團隊負責人David Grojo說，“這項技術有望推動半導體制造業從目前使用光刻技術的2D平面制造，向著更高密度的3D集成器件發展。”

激光3D寫入技術

LP3實驗室的研究團隊已經取得初步進展，該團隊已經展示了紅外（IR）超快激光器在半導體材料內部制造結構的能力（半導體材料不能通過傳統的超快激光進行3D加工）。

“我們研究的基礎是激光直寫（LDW）技術，”Andong Wang說，“使用這種技術，可以將更強的激光集中在材料內部來‘燃燒’材料。激光和聚焦都是通過精心設計的，所以‘燃燒’過程是高度可控的，以便在材料內部獲得想要的3D結構。”

為此，研究人員使用通信波段或短波紅外（SWIR）波段的激光在半導體內部進行3D加工，這個波段的光能夠穿透半導體材料，因此在這個波段半導體材料是完全透明的。

作為European Horizon項目“超快激光材料改性的極端光源控制”的一部分，該團隊正在繼續其先前的工作研究， 將當前激光加工的波段擴展到更寬的范圍——從紫外擴展到紅外甚至更長的波段。

值得注意的是，激光直寫并不是新技術，該技術已經被廣泛用于在玻璃材料中制造3D結構。但是，將激光直寫技術應用于半導體材料中，會產生與玻璃非常不同的材料響應。

“半導體材料的窄帶隙特性，會引起強烈的非線性傳播效應，這會阻礙足夠的能量積累以達到半導體材料內部永久改性的閾值。因此實現半導體材料內部直寫，是一項具有更大挑戰性的工作。”Andong Wang說。

研究人員表示，該項工作的亮點是實現極高的激光重復頻率輸出，這有助于解決激光在半導體中傳播的非線性問題。

圖2：產生最快的飛秒激光脈沖串的簡化晶體排列示意圖。

該研究團隊通過巧妙地設計晶體的排列，成功地實現了有史以來最快的飛秒激光脈沖串輸出（見圖2）。如今，利用脈沖串模式（見圖3）實現高性能激光加工或切割已經成為一種趨勢，該團隊希望這種簡單而緊湊的技術解決方案，能夠對其他研究人員有所啟發。

圖3：該團隊開發的實驗裝置，其使用紅外超快激光在半導體內部進行多時間尺度控制和脈沖串模式加工。

為新應用打開大門

現在，該團隊已經證明了超快激光在半導體內部制造3D結構的可行性，這為眾多微電子應用敞開了大門。

“我們已經證明在半導體材料內部寫入3D結構的可行的，因此，可以在微電子芯片的襯底材料（硅）內部，開發光學數據存儲技術。”Grojo說，“就短期應用而言，超快激光半導體內部加工技術可以實現一種新的晶圓加工方案，例如，通過可控的3D加工制造缺陷，以此實現有效的芯片分割。”

該團隊下一步的研究目標是“專注于對半導體內部改性的機理研究，以及研究如何控制改性的類型，”Grojo說，“鑒于硅光子學的重要性，研究超快激光半導體內部改性的首要目標，就是研究超快激光誘導半導體材料折射率變化的問題。激光寫入將為3D結構單片光子學系統的直接和數字化制造提供可能性，而目前的制造技術并不能實現此種功能。未來，這些新的激光輸出模式可能會極大地改變微芯片的制造方式。”

文/Sally Cole Johnson