Forskere fremstiller 3D-siliciumstrukturer med en fokuseret infrarød laser

Fysikeren Richard Feynman holdt engang et foredrag med titlen "Der er masser af plads i bunden." Dette foredrag citeres ofte for at fremhæve succeserne med moderne mikro- og nanofabrikationsteknikker, og værdien af ​​tilgængelig plads, der følger med fremskridt inden for miniaturisering. I denne henseende, silicium, grundlaget for moderne computere, mobil kommunikation, og fotoniske enheder, har vist sig at være yderst dygtig. Disse fremskridt er normalt beskrevet i form af Moores lov. Imidlertid, moderne processorer er i det væsentlige stakke af plane strukturer. I denne forstand, siliciummikroelektronik og fotonik er stadig 2-D.

Nu, et mangfoldigt team af forskere centreret ved Bilkent University og Middle East Technical University (begge i Ankara, Tyrkiet) har fundet en måde at pakke laserskrevne strukturer dybt inde i siliciumchips. I det seneste nummer af Natur fotonik , forskerne beskriver deres nye tilgang, som bruger en fokuseret infrarød laserstråle til at oprette byggesten i 1 µm-opløsning i et stykke silicium. For første gang, forskerne demonstrerer vilkårlig 3D-fremstilling inde i silicium, uden strukturer over eller under.

Derefter, forskerne konverterede disse komplekse 3D-arkitekturer til funktionelle optiske enheder såsom linser, bølgeledere, hologrammer og andre optiske elementer. "Vi opnåede dette ved at udnytte dynamik som følge af ikke-lineære laser-materiale-interaktioner, fører til kontrollerbare byggesten, "siger Dr. Onur Tokel fra Institut for Fysik i Bilkent, hvem er hovedforfatter af papiret. "I enhver 3D-fremstillingsmetode, der er en afvejning mellem hastighed, løsning, og kompleksitet. Med vores tilgang, vi rammer det søde sted. Den kritiske erkendelse er at bemærke, at de fleste praktiske komponenter kan laves af stang- eller nålelignende byggesten. Vores metode gør det muligt at skabe præcis sådanne blokke, samtidig med at den bevarer en bredde på ca. 1 mikrometer for hver blok. Endnu bedre, stængerne kan kombineres for at skabe et 2-D lag, eller endnu mere komplekse 3D-former, som simpelthen kan oprettes ved at scanne laserstrålen over chippen. "

Et yderligere resultat af metoden er relateret til 3D-print eller skulptur. Forskerne fandt ud af, at ved at udsætte de lasermodificerede områder for et specifikt kemisk ætsemiddel, det er muligt at realisere 3D-skulpturering af hele skiven. De demonstrerede forskellige mikroskopiske komponenter, såsom mikrokanaler, gennem-si vias, cantilevers og mikropiller. Oprettelse af nogle af disse er uoverkommeligt svært med andre metoder. "Jeg skal bemærke, at dette er en direkte laserskrivningstilgang, uden brug af masker, billig sammenlignet med reaktiv ionetsning og e-beam litografi, "siger Dr. Serim Ilday, fra Institut for Fysik, en af ​​papirets medforfattere. Teamets tilgang har den ekstra fordel, at alle demonstrerede optiske og MEMS -enheder i princippet er kompatible med de etablerede CMOS -fremstillingsmetoder.

Inspireret af succeserne med "on-chip" siliciumenheder, teamet opfandt udtrykket "in-chip" -enheder, som en stenografisk beskrivelse for denne nye klasse af komponenter baseret på direkte 3-D laserfabrikation. "Mulighederne er uendelige. Det er sandsynligt, at metoden vil muliggøre helt nye in-chip-enheder, såsom Si-fotoniske komponenter, der kan bruges til nær- og mellem-IR fotonik, eller slyngede mikrofluidiske kanaler, der kan bruges til effektivt at afkøle elektroniske chips, "observerede prof. Ömer Ilday, en anden medforfatter af papiret og medlem af afdelingerne for elektroteknik og elektronik og fysik.

"Faktisk, "fortsatte han, "vi er allerede begyndt at vise nye in-chip arkitekturer og funktionaliteter, såsom at udvikle nye in-chip bølgeledere, laserskæring af skiver og udforskning af ekspansion til andre halvledere. "