在块状硅中实现纳米加工，使三维集成光子学更进一步

比尔肯特大学的研究人员利用空间调制激光束和各向异性播种技术，展示了一种控制硅块材料内部深处而非硅芯片表面纳米加工的方法。这种方法超越了当前光刻技术的特征尺寸限制，能够制造出特征尺寸从80纳米到120纳米不等的硅结构。

这种方法可以推动三维纳米光子学、微流体学和纳米流体学，以及近红外到中红外集成光子系统的发展。

硅是现代电子、光伏和光子学的基础材料，但传统上仅限于表面级纳米制造。现有的光刻技术要么无法穿透硅晶片表面而不造成改变，要么受到硅内部激光光刻微米级分辨率的限制。

研究人员试图利用一种能提供亚波长和多维控制的方法，在硅内部制造出小于1μm的结构。他们开发的在大块硅材料中制造可控纳米结构的方法，是基于三维非线性激光纳米光刻技术以及近场和远场播种效应。

Onur Tokel教授说：我们的方法基于将半导体材料内的激光脉冲能量定位到一个极小的体积，这样就可以利用类似于等离子体学中的突发场增强效应。这可以直接在材料内部实现亚波长和多维控制。

研究小组使用了与贝塞尔光束功能相对应的空间调制激光脉冲。研究人员利用全息投影技术创建的这种激光束的非衍射特性，抑制了光学散射的影响，从而实现了精确的能量定位。这就产生了足以在小体积内改变硅材料的高温和高压值。在纳米尺度上实现能量集中，可以在辐照体积内产生纳米固体。

由此产生的场增强通过播种型机制得以维持。在晶片内部形成局部小空洞后，播种效应会使预先形成的表层下纳米实体在邻近周围形成强大的场增强。这种效应类似于在等离子体中观察到的热点，但却是在晶片深处实现的。

简而言之，最初创建的纳米结构为后续纳米结构的制造提供了支持。激光偏振对纳米结构的排列和对称性提供了额外的控制，从而能够高精度地形成各种纳米阵列。

来自预成型次表面结构的各向异性反馈使研究人员能够控制硅内部的纳米制造能力。“研究人员Asgari Sabet说：通过利用激光-材料相互作用系统中的各向异性反馈机制，我们在硅中实现了偏振控制纳米光刻，让在纳米尺度上指导纳米结构的排列和对称性成为可能。

该团队展示了大面积体积纳米结构，其特征尺寸超过了衍射极限，并实现了多维约束。该团队开发的埋入式纳米结构的特征尺寸小至100±20纳米，比目前的技术水平提高了一个数量级。

Tokel说：我们现在可以制造出埋在硅中的纳米光子元件，如纳米格拉特，具有很高的衍射效率，甚至还能控制光谱。这种新方法可以加速开发具有特殊结构的纳米级系统。我们相信，新出现的设计自由度将在电子学和光子学中找到令人兴奋的应用。超越衍射极限的特性和多维控制意味着未来的进步，如超表面、超材料、光子晶体、众多信息处理应用，甚至三维集成电子光子系统。

据研究人员称，该团队所展示的纳米渗透能力是向这些进步迈出的一步，并构成了首个多层硅光子学。

“我们的发现为硅引入了一种新的制造模式，”Tokel说，“直接在硅内部进行纳米级制造的能力开辟了一个新的领域，即进一步集成和发展先进的光子学。我们现在可以开始追问是否有可能在硅中实现完整的三维纳米制造。我们的研究就是朝着这个方向迈出的第一步。”