Engranaje esencial de nuestras economías digitalizadas y del desarrollo de nuevas tecnologías, los semiconductores y sus métodos de fabricación están en el centro de una batalla estratégica mundial.
Un equipo del laboratorio Láseres, plasmas y procesos fotónicos ha desarrollado una tecnología de escritura láser tridimensional en el interior de los chips de silicio. Publicada en
Nature Communications, su enfoque utiliza microplasmas para alcanzar una resolución sin precedentes y podría transformar el diseño de los circuitos integrados.
Torre Eiffel en 3D grabada bajo la superficie de una oblea de silicio con una precisión solo accesible mediante grabado por plasma. Las observaciones se realizan mediante microscopía infrarroja de transmisión lateral y de campo oscuro (vista desde arriba). La estructura se diseña a partir de vóxeles grabados, separados por 2 µm. Escala: 20 µm.
© Wang, A., Das, A., Fedorov, V.Y. et al. La escritura láser tridimensional mediante pulsos ultracortos ya ha transformado numerosas tecnologías de fabricación, como la microelectrónica o la fotónica cuántica. Permite estructurar el interior de materiales transparentes como el vidrio para crear componentes ópticos miniaturizados y microestructuras precisas sin daños térmicos. Sin embargo, esta técnica rara vez se utiliza para la fabricación de semiconductores como el silicio, debido a sus propiedades ópticas restrictivas. Su alto índice de refracción y sus fuertes no linealidades impiden localizar suficientemente la energía luminosa para escribir con precisión.
El equipo de Andong Wang y David Grojo, del laboratorio Láseres, plasmas y procesos fotónicos (
LP3, Universidad de Aix-Marsella/CNRS), ha desarrollado una solución inspirada en la óptica de plasmas. El concepto se basa en una doble ionización sincronizada. El primer pulso, de un femtosegundo, en el silicio permite generar el microplasma (preionización). El segundo pulso, más lento, deposita luego la energía necesaria para modificar el material. El microplasma actúa como guía al concentrar el depósito de energía en su frente de onda. Para validar su enfoque, los científicos lograron "escribir" una torre Eiffel de menos de 200 micrómetros a pocos micrómetros bajo la superficie de una oblea de silicio.
Los trabajos demostraron una resolución muy relevante de esta técnica, pero también la presencia, en las zonas modificadas, de dominios amorfos de silicio. Esta amorficación local, buscada durante mucho tiempo por el sector, permite contemplar la ingeniería del índice de refracción para la fotónica integrada (para controlar la propagación de la luz). Además, esta investigación también demostró la reversibilidad del proceso. Las modificaciones realizadas en los materiales pueden borrarse localmente mediante una nueva irradiación láser, pudiéndose alcanzar más de 100 ciclos de escritura y borrado en un mismo soporte. Esta capacidad permitió crear códigos QR en el interior de obleas de silicio, escritos, borrados y reescritos en el mismo lugar. Entre las aplicaciones potenciales: el marcado infalsificable y la trazabilidad en la industria de los semiconductores.
La fabricación de dispositivos reconfigurables constituye un objetivo de larga data para la fotónica cuántica. La tecnología desarrollada por el equipo del LP3 ofrece una alternativa a las soluciones actuales basadas en la estimulación térmica o electromecánica. También podría extenderse a otros materiales semiconductores distintos del silicio. Los investigadores han patentado su enfoque y planean transformar la manera en que se diseñan los circuitos integrados. Un desafío estratégico en un mercado mundial valorado en más de 600 mil millones de dólares en 2024, y aún ampliamente dominado por Asia.
Fuente: CNRS INSIS