研究人員在半導(dǎo)體材料內(nèi)部寫入結(jié)構(gòu)，展示了3D激光寫入方法在推動半導(dǎo)體制造從2D向高密度3D集成器件發(fā)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(qiáng)度較低的脈沖串，優(yōu)化局域激發(fā)。通過使用 “足夠快”的脈沖串，積累足夠的能量達(dá)到材料改性閾值，在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部寫入功能結(jié)構(gòu)。

法國國家科學(xué)研究中心LP3實驗室的一個研究團(tuán)隊，最近開發(fā)了一種可以在硅或砷化鎵半導(dǎo)體芯片內(nèi)部實現(xiàn)3D激光寫入的技術(shù)。這是激光加工領(lǐng)域的一項重大進(jìn)步，因為該技術(shù)使微電子行業(yè)對晶圓的探索，從表面延伸到了晶圓內(nèi)部。

當(dāng)超快激光脈沖在半導(dǎo)體內(nèi)部聚焦時，沿光束路徑的非線性電離會誘導(dǎo)產(chǎn)生不透明的等離子體，使其無法達(dá)到足夠的能量以進(jìn)行材料內(nèi)部寫入。但該團(tuán)隊通過超快激光脈沖串模式輸出，避免了這些強(qiáng)非線性效應(yīng)（見圖1）。

LP3實驗室的博士后Andong Wang說：“我們使用的脈沖串重復(fù)頻率達(dá)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(dāng)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(dá)到對材料進(jìn)行改性的閾值。因此，研究人員可以在各種半導(dǎo)體內(nèi)部寫入3D結(jié)構(gòu)。

“實現(xiàn)半導(dǎo)體芯片內(nèi)部3D激光寫入是我們的工作目標(biāo)，”這項工作的團(tuán)隊負(fù)責(zé)人David Grojo說，“這項技術(shù)有望推動半導(dǎo)體制造業(yè)從目前使用光刻技術(shù)的2D平面制造，向著更高密度的3D集成器件發(fā)展。”

激光3D寫入技術(shù)

LP3實驗室的研究團(tuán)隊已經(jīng)取得初步進(jìn)展，該團(tuán)隊已經(jīng)展示了紅外（IR）超快激光器在半導(dǎo)體材料內(nèi)部制造結(jié)構(gòu)的能力（半導(dǎo)體材料不能通過傳統(tǒng)的超快激光進(jìn)行3D加工）。

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

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(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行3D加工，這個波段的光能夠穿透半導(dǎo)體材料，因此在這個波段半導(dǎo)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(tuán)隊正在繼續(xù)其先前的工作研究， 將當(dāng)前激光加工的波段擴(kuò)展到更寬的范圍——從紫外擴(kuò)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(shù)，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于在玻璃材料中制造3D結(jié)構(gòu)。但是，將激光直寫技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體材料中，會產(chǎn)生與玻璃非常不同的材料響應(yīng)。

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

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

圖2：產(chǎn)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(tuán)隊通過巧妙地設(shè)計晶體的排列，成功地實現(xiàn)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(xiàn)高性能激光加工或切割已經(jīng)成為一種趨勢，該團(tuán)隊希望這種簡單而緊湊的技術(shù)解決方案，能夠?qū)ζ渌�研究人員有所啟發(fā)。

圖3：該團(tuán)隊開發(fā)的實驗裝置，其使用紅外超快激光在半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行多時間尺度控制和脈沖串模式加工。

為新應(yīng)用打開大門

現(xiàn)在，該團(tuán)隊已經(jīng)證明了超快激光在半導(dǎo)體內(nèi)部制造3D結(jié)構(gòu)的可行性，這為眾多微電子應(yīng)用敞開了大門。

“我們已經(jīng)證明在半導(dǎo)體材料內(nèi)部寫入3D結(jié)構(gòu)的可行的，因此，可以在微電子芯片的襯底材料（硅）內(nèi)部，開發(fā)光學(xué)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。”Grojo說，“就短期應(yīng)用而言，超快激光半導(dǎo)體內(nèi)部加工技術(shù)可以實現(xiàn)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(xiàn)有效的芯片分割。”

該團(tuán)隊下一步的研究目標(biāo)是“專注于對半導(dǎo)體內(nèi)部改性的機(jī)理研究，以及研究如何控制改性的類型，”Grojo說，“鑒于硅光子學(xué)的重要性，研究超快激光半導(dǎo)體內(nèi)部改性的首要目標(biāo)，就是研究超快激光誘導(dǎo)半導(dǎo)體材料折射率變化的問題。激光寫入將為3D結(jié)構(gòu)單片光子學(xué)系統(tǒng)的直接和數(shù)字化制造提供可能性，而目前的制造技術(shù)并不能實現(xiàn)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