研究人员在半导体材料内部写入结构，展示了3D激光写入方法在推动半导体制造从2D向高密度3D集成器件发展方面的巨大潜力。

图1：将红外超快脉冲的能量分割，形成强度较低的脉冲串，优化局域激发。通过使用 “足够快”的脉冲串，积累足够的能量达到材料改性阈值，在半导体芯片内部写入功能结构。

法国国家科学研究中心LP3实验室的一个研究团队，最近开发了一种可以在硅或砷化镓半导体芯片内部实现3D激光写入的技术。这是激光加工领域的一项重大进步，因为该技术使微电子行业对晶圆的探索，从表面延伸到了晶圆内部。

当超快激光脉冲在半导体内部聚焦时，沿光束路径的非线性电离会诱导产生不透明的等离子体，使其无法达到足够的能量以进行材料内部写入。但该团队通过超快激光脉冲串模式输出，避免了这些强非线性效应（见图1）。

LP3实验室的博士后Andong Wang说：“我们使用的脉冲串重复频率达到太赫兹量级，这意味着两个相邻脉冲之间的时间是亚皮秒。”

亚皮秒的时间尺度非常短，相当于人类眨眼时间的10亿分之一。得益于这种超快的脉冲串模式，激光能量可以从一个脉冲到另一个脉冲有效地积累，直到达到对材料进行改性的阈值。因此，研究人员可以在各种半导体内部写入3D结构。

“实现半导体芯片内部3D激光写入是我们的工作目标，”这项工作的团队负责人David Grojo说，“这项技术有望推动半导体制造业从目前使用光刻技术的2D平面制造，向着更高密度的3D集成器件发展。”

激光3D写入技术

LP3实验室的研究团队已经取得初步进展，该团队已经展示了红外（IR）超快激光器在半导体材料内部制造结构的能力（半导体材料不能通过传统的超快激光进行3D加工）。

“我们研究的基础是激光直写（LDW）技术，”Andong Wang说，“使用这种技术，可以将更强的激光集中在材料内部来‘燃烧’材料。激光和聚焦都是通过精心设计的，所以‘燃烧’过程是高度可控的，以便在材料内部获得想要的3D结构。”

为此，研究人员使用通信波段或短波红外（SWIR）波段的激光在半导体内部进行3D加工，这个波段的光能够穿透半导体材料，因此在这个波段半导体材料是完全透明的。

作为European Horizon项目“超快激光材料改性的极端光源控制”的一部分，该团队正在继续其先前的工作研究， 将当前激光加工的波段扩展到更宽的范围——从紫外扩展到红外甚至更长的波段。

值得注意的是，激光直写并不是新技术，该技术已经被广泛用于在玻璃材料中制造3D结构。但是，将激光直写技术应用于半导体材料中，会产生与玻璃非常不同的材料响应。

“半导体材料的窄带隙特性，会引起强烈的非线性传播效应，这会阻碍足够的能量积累以达到半导体材料内部永久改性的阈值。因此实现半导体材料内部直写，是一项具有更大挑战性的工作。”Andong Wang说。

研究人员表示，该项工作的亮点是实现极高的激光重复频率输出，这有助于解决激光在半导体中传播的非线性问题。

图2：产生最快的飞秒激光脉冲串的简化晶体排列示意图。

该研究团队通过巧妙地设计晶体的排列，成功地实现了有史以来最快的飞秒激光脉冲串输出（见图2）。如今，利用脉冲串模式（见图3）实现高性能激光加工或切割已经成为一种趋势，该团队希望这种简单而紧凑的技术解决方案，能够对其他研究人员有所启发。

图3：该团队开发的实验装置，其使用红外超快激光在半导体内部进行多时间尺度控制和脉冲串模式加工。

为新应用打开大门

现在，该团队已经证明了超快激光在半导体内部制造3D结构的可行性，这为众多微电子应用敞开了大门。

“我们已经证明在半导体材料内部写入3D结构的可行的，因此，可以在微电子芯片的衬底材料（硅）内部，开发光学数据存储技术。”Grojo说，“就短期应用而言，超快激光半导体内部加工技术可以实现一种新的晶圆加工方案，例如，通过可控的3D加工制造缺陷，以此实现有效的芯片分割。”

该团队下一步的研究目标是“专注于对半导体内部改性的机理研究，以及研究如何控制改性的类型，”Grojo说，“鉴于硅光子学的重要性，研究超快激光半导体内部改性的首要目标，就是研究超快激光诱导半导体材料折射率变化的问题。激光写入将为3D结构单片光子学系统的直接和数字化制造提供可能性，而目前的制造技术并不能实现此种功能。未来，这些新的激光输出模式可能会极大地改变微芯片的制造方式。”

文/Sally Cole Johnson