[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种脉冲红外激光技术，可在掺杂硅片中无表面损伤地制造高深宽比、连续、多级的亚表面结构。该方法可实现毫米级、亚微米宽的特征，并展示了可通过光学相干断层扫描（OCT）读取的嵌入式三维硅条形码，适用于多层芯片和片上量子光学应用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在硅中制造埋藏式亚表面结构而不改变表面的方法。
• 在体掺杂硅片中实现高深宽比、连续、多级的特征。
• 利用光学相干断层扫描（OCT）读出技术，在硅的亚表面实现空间信息编码。
• 展示该技术在多层硅芯片、光流体器件以及片上量子光学实验中的可行性。

提出的方法

• 采用脉冲红外激光辐照在掺杂硅片中诱导亚表面改性。
• 调节激光参数以将能量限制在表面以下，避免表面烧蚀或损伤。
• 该工艺可生成连续的、高深宽比的结构，具有亚微米横向分辨率。
• 结构在基板内部制造，实现三维信息嵌入。
• 采用光学相干断层扫描（OCT）非侵入式读取亚表面特征中的编码信息。
• 使用掺杂硅片以增强激光吸收，并控制改性的深度和形状。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲红外激光是否可在掺杂硅中无表面损伤地制造连续、高深宽比的亚表面结构？
• RQ2 该激光写入技术可实现的亚表面特征最大深度和深宽比是多少？
• RQ3 亚表面结构是否可用于编码空间信息并可被OCT读取？
• RQ4 所制备的亚表面结构在实际芯片级应用中的可扩展性和稳定性如何？

主要发现

• 该方法成功在掺杂硅中生成了连续的、多级的亚表面结构，其长度可达毫米级，宽度为亚微米级。
• 激光工艺实现了高深宽比结构，且未观察到任何表面改性或损伤。
• 成功编码并利用光学相干断层扫描（OCT）读取了亚表面硅条形码。
• 所制备的结构适用于集成到多层硅芯片及片上量子光学实验中。