Als wesentliches Zahnrad unserer digitalisierten Wirtschaft und der Entwicklung neuer Technologien stehen Halbleiter und ihre Herstellungsverfahren im Zentrum eines weltweiten strategischen Wettkampfs.
Ein Team des Labors für Laser, Plasma und Photonikverfahren hat eine Technologie zur dreidimensionalen Lasergravur im Inneren von Siliziumchips entwickelt. Ihr in
Nature Communications veröffentlichter Ansatz nutzt Mikroplasmen, um eine beispiellose Auflösung zu erreichen, und könnte das Design integrierter Schaltkreise revolutionieren.
3D-Eiffelturm, der mit einer nur durch Plasmaätzen erreichbaren Präzision unter der Oberfläche eines Siliziumwafers graviert wurde. Die Aufnahmen erfolgen durch laterale Transmissions- und Dunkelfeld-Infrarotmikroskopie (Draufsicht). Die Struktur besteht aus gravierten Voxeln mit einem Abstand von 2 µm. Maßstab: 20 µm.
© Wang, A., Das, A., Fedorov, V.Y. et al. Die dreidimensionale Lasergravur mit ultrakurzen Pulsen hat bereits viele Fertigungstechnologien wie die Mikroelektronik oder die Quantenphotonik verändert. Sie ermöglicht die Strukturierung des Inneren transparenter Materialien wie Glas, um miniaturisierte optische Komponenten und präzise Mikrostrukturen ohne thermische Schäden zu schaffen. Diese Technik wird jedoch selten für die Herstellung von Halbleitern wie Silizium verwendet, was auf deren anspruchsvolle optische Eigenschaften zurückzuführen ist. Sein hoher Brechungsindex und seine starken Nichtlinearitäten verhindern eine ausreichende Lokalisierung der Lichtenergie für präzises Schreiben.
Das Team von Andong Wang und David Grojo vom Labor für Laser, Plasma und Photonikverfahren (
LP3, Aix-Marseille Université/CNRS) hat eine Lösung entwickelt, die von der Plasmaphotonik inspiriert ist. Das Konzept beruht auf einer synchronisierten Doppelionisation. Der erste Femtosekunden-Puls im Silizium erzeugt das Mikroplasma (Vorionisation). Der zweite, langsamere Puls deponiert dann die für die Materialmodifikation benötigte Energie. Das Mikroplasma wirkt als Führung, indem es die Energiedeposition an seiner Wellenfront konzentriert. Um ihren Ansatz zu validieren, gelang es den Wissenschaftlern, einen Eiffelturm von weniger als 200 Mikrometern einige Mikrometer unter der Oberfläche eines Siliziumwafers zu "schreiben".
Die Arbeit zeigte nicht nur eine sehr relevante Auflösung dieser Technik, sondern auch das Vorhandensein von amorphen Siliziumbereichen in den modifizierten Zonen. Diese lokale Amorphisierung, die lange vom Sektor angestrebt wurde, ermöglicht das Engineering des Brechungsindex für die integrierte Photonik (zur Kontrolle der Lichtausbreitung). Darüber hinaus hat diese Forschung auch die Reversibilität des Prozesses nachgewiesen. Die an den Materialien vorgenommenen Modifikationen können lokal durch eine erneute Laserbestrahlung gelöscht werden, und zwar über mehr als 100 Schreib- und Löschzyklen auf demselben Substrat. Diese Fähigkeit ermöglichte die Erstellung von QR-Codes im Inneren von Silizium-Wafern, die geschrieben, gelöscht und dann am selben Ort neu geschrieben wurden. Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Fälschungssicherung und die Rückverfolgbarkeit in der Halbleiterindustrie.
Die Herstellung rekonfigurierbarer Bauelemente ist ein langfristiges Ziel für die Quantenphotonik. Die vom LP3-Team entwickelte Technologie bietet eine Alternative zu aktuellen Lösungen, die auf thermischer oder elektromechanischer Stimulation basieren. Sie könnte auch auf andere Halbleitermaterialien als Silizium ausgeweitet werden. Die Forscher haben ihren Ansatz patentiert und planen, die Art und Weise, wie integrierte Schaltkreise entworfen werden, zu verändern. Ein strategisches Ziel in einem Weltmarkt, der 2024 auf über 600 Milliarden Dollar geschätzt wurde und immer noch weitgehend von Asien dominiert wird.
Quelle: CNRS INSIS