[論文レビュー] Laser-Writing in Silicon for 3D Information Processing

Onur Tokel, Ahmet Turnalı+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、表面損傷を伴わずに、ドーピングされたシリコンウェハに高長さ径比で連続的かつ多次元の表面下構造を形成するためのパルス赤外レーザー技術を提示する。この手法により、ミリメートルスケールで、サブミクロン幅の特徴が可能となり、光学コherenceトモグラフィー（OCT）を用いて読み取り可能な埋め込み3次元シリコンバーコードの実現が示された。これにより、マルチレイヤーチップやオンチップ量子オプティクスへの応用が可能となる。

ABSTRACT

Micromachining of silicon with lasers is being investigated since the 1970s. So far generating subsurface modifications buried inside the bulk of the silicon without damaging the surface has not resulted in success. Here, we report a method for photo-inducing buried structures in doped silicon wafers with pulsed infrared lasers without modifying the wafer surface. We demonstrate large aspect-ratio, continuous multilevel subsurface structures, with lengths on the millimetre scale, while having sub-micron widths. We further demonstrate spatial information encoding capabilities embedded in subsurface silicon barcodes based on an optical coherence tomography (OCT) readout. The demonstrated silicon processing technology can be used for the realization of multilayered silicon chips, optofluidics and on-chip quantum optics experiments.

研究の動機と目的

• 表面を変更することなく、シリコン内に埋め込まれた表面下構造を形成するための手法を開発すること。
• バルクドーピングシリコンウェハに、高長さ径比で連続的かつ多次元の特徴を実現すること。
• 光学コherenceトモグラフィー（OCT）による読み取りを可能とする、表面下シリコンに空間情報のエンコードを可能とすること。
• マルチレイヤーチップ、オプトフロイディクス、およびオンチップ量子オプティクス実験への実用的応用の可能性を示すこと。

提案手法

• パルス赤外レーザー照射を用いて、ドーピングシリコンウェハの表面下に改質を誘発する。
• エネルギーを表面以下に局在化させるようにレーザーパラメータを調整し、表面の焼けこみや損傷を回避する。
• 連続的で高長さ径比の構造が、サブミクロンの横方向分解能を達成する。
• 構造はウェハのバルク内部に形成され、3次元情報の埋め込みが可能となる。
• 表面を傷つけずに、エンコードされた情報を表面下の特徴から非侵襲的に読み取るために、光学コherenceトモグラフィー（OCT）が用いられる。
• レーザー吸収を高め、改質の深さと形状を制御するために、ドーピングシリコンウェハが用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス赤外レーザーは、表面損傷を伴わず、連続的かつ高長さ径比の表面下構造をドーピングシリコンに形成できるか？
• RQ2 このレーザー加工技術を用いた場合、表面下特徴の最大到達深さと長さ径比はどの程度達成できるか？
• RQ3 表面下構造を用いて、OCTで読み取り可能な空間情報のエンコードが可能か？
• RQ4 実用的なチップレベル応用に向け、作製された表面下特徴のスケーラビリティと安定性はどの程度か？

主な発見

• 本手法により、ミリメートルスケールの長さとサブミクロン幅を有する、連続的かつ多次元の表面下構造がドーピングシリコンに成功して形成された。
• レーザープロセスにより、顕著な表面変更や損傷を伴わず、高長さ径比の特徴が達成された。
• 表面下シリコンバーコードが正常にエンコードされ、光学コherenceトモグラフィー（OCT）を用いて読み取りが成功した。
• 作製された構造は、マルチレイヤーチップやオンチップ量子オプティクス実験への統合に適していることが示された。