利用空间光束调制和各向异性播种在硅内进行激光纳米加工

引言

硅是一种独特的电子工业基底材料，在微/纳米光子学中发挥着重要作用。这种材料在近红外和中红外领域有多种应用。纳米光刻技术为研究新物理学和令人兴奋的功能（包括亚波长和超材料技术）提供了独特的硅平台。大量纳米级功能完全局限于晶片表面，因此可被认定为“片上”功能。一种独特的模式是直接在硅的主体内部制造器件，而不改变晶片的顶部或底部表面。

相应的“片内”制造模式是基于利用晶片透明波长的红外激光来进入硅的主体。这已经带来了重大进展，特别是在直接引入硅内部功能方面取得了突破，例如波导、透镜、信息存储和最先进的光学设备。最近，新出现的应用领域又增加了波板的制造。虽然具有独特的光子功能，但目前的应用受到大于1微米的制造分辨率限制。克服这一障碍并在晶片内实现多维纳米级控制将是一大进步。它有可能实现三维纳米光子学，引入超越传统光学的新功能，甚至在硅内部产生超表面/超材料。

这种装置的另一个好处是，可以保持平行微米/纳米级系统的表面不变。大多数体积激光写入都依赖于高斯光束。然而，逐点装配通常限制了吞吐量，这是自上而下制造方法的固有局限。三维非线性激光光刻技术克服了这一局限，利用激光与半导体相互作用产生的反馈动力学，实现自下而上的快速自组装，但分辨率仅为1微米。

本文认为使用非衍射光是一个很有前途的方向，既能保持高通量又能将分辨率扩展到纳米级。之前在这一方向上的努力并不成功，原因是在平衡相互竞争的要求方面存在挑战，既要保持晶片表面的低强度又要改变晶体内部所需的高脉冲能量。飞秒（fs）脉冲的强光束聚焦是另一个挑战。

 

图1：a）利用空间调制的纳秒激光脉冲在硅内部产生非衍射光束。利用这些光束可以在硅的深处（紫色区域）诱导出平面纳米图案，而不会改变上方或下方的晶片。b）利用这些预成型结构（即片内预成型），可以非局部地播种埋藏在硅内部的二维约束图案或纳米线（黄色区域）。虽然播种的横向范围约为2μm，但纵向写入模式可将纳米线延伸至整个晶片，包括没有播种的区域。纳米线可以横向重复，形成大面积覆盖的体积纳米图案。大面积覆盖纳米线横截面的SEM图像。c）三维有限差分时域模拟和分析估计40nm直径纳米空心周围的场分布。d）在纳米空心周围模拟等离子体共振的近场，从而实现偏振控制的各向异性纳米光刻

在这项工作中，我们解决了在晶圆深处实现受控激光纳米制造的基本制造障碍。我们使用结构化光束，并利用各向异性播种技术，在块体内部以亚波长和多维控制的方式制造出特征尺寸小至100±20nm的纳米结构（图1）。纳秒（ns）激光脉冲可根据空间光束调制的细节对亚表面图案进行控制。激光偏振是指导纳米级对称性的另一个参数。新出现的体积纳米加工能力反过来又使硅内的纳米光子器件成为可能，即通过多级纳米加工制造出布拉格光栅。

 

结果

利用贝塞尔（Bessel）型调制纳秒（ns）激光脉冲诱导硅内部的光学响应。光束的非衍射特性以及基于播种的局部场增强实现了一维（1D）约束，其形式为硅内部深处的纳米平面，晶片表面未受损伤（图1a）。强大的能量约束甚至可以实现超越衍射极限的次表面纳米图案化（图1a）。我们还引入了第二种激光写入模式，通过预制结构的局部和非局部播种，在硅中实现二维纳米约束，即纳米线（图1b）。激光偏振对纳米级的排列有很强的控制作用。

基于硅内部的非线性反馈机制，可以理解两种激光写入模式所共有的基本原理。初始激光诱导的不均匀性，即纳米空穴会导致强烈吸收（图1c）。由于场强和吸收之间的正反馈作用，不均匀性周围的自由载流子密度会增加。在吸收峰值附近，近场增强（图1d），因此额外的修饰平行于激光极化拉长。更新后的修饰几何形状在形态和各向异性场增强之间建立了第二种反馈机制，从而在硅中实现了偏振控制纳米光刻（图1b和图3）。

 

图2：a）利用发散轴和双透镜产生的贝塞尔光束示意图。透镜L1和L2作为一个4-f系统，将空间光调制器的输出转换到放大系数为0.8的非球面透镜（L3）。b）最大强度平面处横向的模拟和实验强度剖面对比。在红外相机（InGaAs）的插图中可以看到同心环。c）X-Z平面上记录的实验强度曲线。在实验光束轮廓中，测量到的核心直径为2dB=2.15μm，贝塞尔区长度为Zb=200μm，均为半最大全宽（FWHM）。d）显示硅内部产生的纳米平面的硅片横截面SEM图像。e）一维和二维封闭亚表面纳米图案的彩色编码示意图。蓝色笼子表示（d）中激光写入结构的横截面。紫色笼子表示（f）中的横截面。红色笼子捕捉的是（h）中所示的孤立纳米线。f）在较深的平面上获取带有紫色边框的SEM图像，同时捕捉种子和纳米线。种子的创建条件为r0=10；纳米线的创建条件为r0=6。g）SEM图像显示，在没有种子的情况下，纳米线不会形成。h）SEM图像显示的是单个纳米线的横截面。使用40秒钟的蚀刻来显示结构

首先讨论的是允许这种独特特征的调制光束轮廓（图2a）。使用的是定制光纤激光器的高斯输出，在硅透明的波长λ= 1.55μm处以10ns脉冲运行，功率高达9W。为了在材料内部产生所需的强能量约束，激光器使用空间光调制器（SLM）进行调制，在光束上印上第一类零阶贝塞尔函数的轴相位。

首先，在空气中创建一个贝塞尔光束轮廓，以进行实验和数值评估。为了进行光学表征，在 L3后对聚焦光束进行成像，并使用InGaAs摄像机和放大系统记录沿光轴以2μm为增量的光束强度。图2b和c显示了具有代表性的贝塞尔光束（r0=10）的实验强度曲线。我们以像素为单位来表示r0。图2c中横座标的原点与L3的焦点相对应，100μm后贝塞尔区开始出现。在光刻过程中，由于空气-硅指数对比度较高，这一范围在硅内部进一步缩放。沿光轴最大强度点的横向剖面与模拟结果进行了比较，并沿通过相机图像中心的一条线显示在图2b中。

对比结果证实，在空气中的SLM双透镜输出端产生了零阶贝塞尔函数，而且在很大的r0参数范围内都保持不变。因此，只需对r0参数进行数字调谐，就能产生具有不同能量限制的调制光束，类似于获得具有不同物理光学特性的光束轮廓。我们利用这种可调谐的“第一类零阶贝塞尔函数”光束进行纳米光刻，从而实现可调谐的特征尺寸。

为了在硅内部实现纳米级控制，将贝塞尔光束直接聚焦在芯片内部，沿非衍射高强度贝塞尔区产生非线性响应。这反过来又诱发了封闭的能量沉积和永久性的材料变化。值得注意的是，晶圆表面以及光刻图案上方和下方的块状晶体，在此过程后不会发生变化。通过垂直于激光传播方向扫描样品，在硅中创建了一维约束纳米平面（图2d），沿X轴厚度可调，深度可控性强。

 

图3：a）具有一维约束的表层下纳米光刻技术与r0和Ep的函数关系。b）利用二维聚焦技术进行偏振相关制造的示意图。蓝色部分表示激光写入的纳米图案，其在硅内部的取向可控。c）用r0=10、Ep=4μJ制作的高度重现性均匀纳米平面的扫描电镜图像。这些结构的厚度为250±30nm，处于衍射极限。沿激光传播方向的结构长度为210μm。激光偏振与扫描方向平行。d）用不同激光极化产生的二维封闭纳米图案的结构。线性偏振激光写入时，短轴厚度为350nm。阵列采用纵向写入模式，利用r0=8和Ep=3.7±0.3μJ 的贝塞尔光束。刻度线=1000 nm。e）在硅中创建的大面积覆盖纳米阵列的扫描电镜图像（r0=8，Ep=3.7μJ）。所有样品均经过40秒钟的抛光和蚀刻，以显示其结构

早期激光写入纳米图案的扫描电子显微镜（SEM）图像（图2d）显示，单个纳米平面的特征尺寸为600nm，沿Z轴的均匀伸长为200μm。这是在r0=10、使用4μJ能量的激光脉冲、圆偏振、1mm/s扫描速度和每个纳米平面单次扫描的条件下实现的（图2e左）。稍后将详细分析偏振和脉冲能量的影响。

接下来，将介绍具有二维纳米约束的次表面结构（即纳米线）的激光光刻技术。直接激光写入纳米平面的方法无法产生任何纳米线。为了实现这一目标，可以采用纵向扫描（沿激光传播轴）或不进行任何扫描而简单地将硅暴露在激光下。但是大量实验表明，在聚焦、激光和 SLM参数范围很宽的情况下，只能产生微细线。为了克服这一难题，在硅中引入了一种之前未观察到的效应，如图1b所示。

首先用横向写入法创建一个埋入式微/纳米平面（图2e，左）。这种结构或预型有效地起到了非局部种子的作用，从而产生相邻的次表面纳米线（图2e，右和图2f）。为了揭示这些纳米线，需要从X-Y平面对样品进行抛光，然后用选择性化学蚀刻剂进行处理。如图2g所示，预型件的存在是必要的，如果省略预型件就不会形成纳米线。种子结构必须在~2μm的距离内才能诱导纳米线的形成。不过，一旦纳米线出现，只需沿光轴扫描激光器，就能在整个晶片上拉长结构（图2e）。

上述方法可以在所有深度创建纳米线阵列，即使在没有预成型的地方也是如此。图2h显示了一个较大阵列的X-Y截面代表案例（图2e右侧标有彩色编码的次表层平面）。相关的预型件是在r0= 10的条件下制作的，而300纳米线是在r0= 6、脉冲能量为6μJ和圆极化条件下制作的。化学蚀刻进行40秒，以显示横截面（见方法）。这种结构可以排列成任意阵列（图1b、2f、3e），可能横向覆盖整个晶片，仅受平移台范围的限制。因此，该方法引入了强大的硅纳米制造能力。基于非线性阈值的模型用于估计特征尺寸（ξ），指导我们的实验并解释经验观察结果。

 

图4：r0=10时的平均特征尺寸与脉冲能量的关系图，说明一维约束在纳米和亚衍射状态下的控制范围很广。误差条表示标准偏差。图中的直方图显示了Ep=3.3±0.3μJ、r0=10时激光写入结构的尺寸分布，这些数据来自后来的数据集。b）与（a）图相对应的SEM图像显示，亚衍射制造的纳米平面ξ=115±25nm，亚波长调制为800nm。纳米结构沿Z轴的长度为l= 120μm。激光扫描方向与激光偏振平行，沿y轴。沿y轴的结构范围由扫描长度确定；（b）中的扫描长度为2mm。在SEM成像前进行了40秒钟的化学蚀刻。

到目前为止，主要关注纳米结构的出现和特征尺寸，并将讨论主要局限于圆偏振以获得最大对称性。为了进一步推动纳米光刻技术的发展并创造出多样化的纳米阵列，对激光偏振的影响进行了研究（图3）。首先探究一维封闭结构的偏振效应。当偏振设置为线性且平行于扫描方向时，特征尺寸会减小。利用这种几何形状，对相位（r0）和脉冲能量（Ep）进行了系统实验。通过同时减小r0和Ep，可以将特征尺寸减小到比最新技术小一个数量级，即126 ± 30nm（图3a）。图3c给出了SEM图像，显示了均匀的纳米结构，并已达到250nm的衍射极限特征尺寸（r0=10）。

当考虑二维封闭纳米图案时，会发现芯片内光刻技术有一个显著的现象。在这种尺度下，纳米图案的对称性模仿了激光偏振的方向（图3b）。在实验中，Ep=3.7±0.3μJ的激光脉冲沿Z轴传播，相对于X轴有水平、垂直、线性（45°）和圆形极化。我们利用r0=8的光束来创建非对称纳米线阵列，其平面预型与图2f所示类似。以这种方式制作的大量纳米图案如图3d 所示。

利用线性偏振（350nm）与圆形偏振（800nm）相比，垂直于激光偏振方向的特征尺寸显著减小，而圆形偏振则使用相同的制造参数。在纳米尺度上实现了独特的对准和定向控制，可通过简单的扫描进行扩展（图3）。这种行为与材料固有的光学响应有关，它诱导了形态与各向异性场增强之间的非线性反馈。因此，激光偏振的固有对称性反映在最终的宏观图案中（图3b）。这种纳米级的控制对晶圆内的超材料应用也具有令人兴奋的意义。大体积覆盖是实现这一方向的先决条件，图3e中的实验说明了这一点。

此外，通过选择偏振、脉冲能量、扫描方向和相位调制等参数，实现了创纪录的低特征尺寸 1D封闭亚表面纳米结构。最终实现了亚衍射（低于250nm）光刻技术（图4）；这是一种令人兴奋的新能力，意味着在大体积内实现亚波长纳米光子学。图4a显示了一组r0=10的实验，分析了亚衍射机制中的临界尺寸以及特征的均匀性。实验显示，纳米结构的特征尺寸为 115±25nm（图4a）或小至100±20nm（图1a，r0=7，Ep=4.3μJ），具有光学均匀性。图4b给出了特征尺寸为115±25nm的纳米平面阵列横截面的SEM图像，显示了800nm亚微米调制的纳米图案化能力。这些纳米平面的纵横比大于1000，其中纵横比定义为沿激光传播方向的修改范围（l）与特征尺寸（ξ）之比。

 

图5：a）埋在硅中的体布拉格光栅（VBG）示意图。纳米平面的特征尺寸ξ、间距Λ和长度l由多级纳米加工控制。入射光Iin在X-Z平面上分为两阶。b）用λ=1550nm的S偏振单模激光器记录的ξ=700nm、Λ=1.5μm、l=490μm两级VBG的角度灵敏度。c）ξ=700nm、Λ=1.5μm和不同光栅长度l的多级光栅在布拉格角处测得的衍射效率。单级纳米结构沿Z轴的长度为260μm。误差条表示标准偏差。黑色曲线代表相应的理论计算结果。两级VBG的最高效率为87%，l=490μm。d）在ξ=350nm、Λ= 800nm和l =430μm条件下创建的VBG的光谱灵敏度

最后，为了展示这种独特光刻能力的潜力，在硅的深处制作了纳米光子元件（图5）。首先在硅中创建了创纪录的高效体积布拉格光栅（VBG），以实现半导体内部的光谱控制。布拉格光栅基于透明介质内部的折射率调制，并在三维区域内形成图案。早期的布拉格光栅是在玻璃中制造的，随后扩展到其他材料和结构，从而实现了90%的效率和令人兴奋的应用。然而，在硅内部制造的类似元件仍然缺乏。

 

总结

总之，本文报告了一种基于三维非线性激光纳米光刻技术和近/远场播种效应，在硅体中创建可控纳米结构的方法。贝塞尔光束的非衍射特性可实现纳米级能量集中，从而在照射体积内形成纳米空洞。这导致在其邻近区域产生局部场增强，这种效应类似于等离子体中观察到的热点，但却是在晶片深处实现的。

经评估，纳米平面的线粗糙度在12-19nm之间，这表明表面下纳米图案化能力在低散射三维半导体纳米光子器件方面具有巨大潜力。进一步的材料表征研究，包括基于透射电子显微镜和微拉曼分析的研究，将有助于更深入地了解和利用这种能力。通过利用多光束制造方法，或通过调整系统中固有的非线性相互作用，有可能通过真正的三维全息激光投影方法，将制造的纳米结构扩展到三维几何形状。

可以说，在重要技术材料中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；有可能覆盖整个近/中红外系统。超越衍射极限的特征（100nm）和多维约束意味着未来硅材料的发展，如光子晶体、超表面、超材料；众多信息处理应用，以及与芯片系统集成的巨大潜力。所引入的纳米穿透能力就是向这一目标迈出的一步，它也是首个多层硅光子学。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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