Fysikern Richard Feynman höll en gång en föreläsning med titeln "Det finns gott om utrymme på botten." Denna föreläsning citeras ofta för att belysa framgångarna med moderna mikro- och nanotillverkningstekniker, och värdet av tillgängligt utrymme som kommer med framsteg inom miniatyrisering. I det här avseendet, kisel, grunden för moderna datorer, mobil kommunikation, och fotoniska enheter, har visat sig vara extremt kapabel. Dessa framsteg beskrivs vanligtvis i termer av Moores lag. Dock, moderna processorer är i huvudsak staplar av plana strukturer. I det här sammanhanget, kiselmikroelektronik och fotonik är fortfarande 2-D.
Nu, ett mångsidigt team av forskare centrerade vid Bilkent University och Middle East Technical University (båda i Ankara, Turkiet) har hittat ett sätt att packa laserskrivna strukturer djupt inuti kiselchips. I senaste numret av Nature Photonics , forskarna beskriver sitt nya tillvägagångssätt, som använder en fokuserad infraröd laserstråle för att skapa byggstenar med 1 μm upplösning i en kiselskiva. För första gången, forskarna visar godtycklig 3D-tillverkning inuti kisel, utan strukturer över eller under.
Sedan, forskarna omvandlade dessa komplexa 3D-arkitekturer till funktionella optiska enheter som linser, vågledare, hologram och andra optiska element. "Vi uppnådde detta genom att utnyttja dynamik som härrör från olinjära laser-materialinteraktioner, leder till kontrollerbara byggstenar, " säger Dr. Onur Tokel vid institutionen för fysik i Bilkent, som är huvudförfattare till tidningen. "I vilken 3D-tillverkningsmetod som helst, det finns en avvägning mellan hastighet, upplösning, och komplexitet. Med vårt tillvägagångssätt, vi träffar den söta punkten. Den kritiska insikten är att notera att de flesta praktiska komponenterna kan tillverkas av stav- eller nålliknande byggstenar. Vår metod gör det möjligt att skapa just sådana block, samtidigt som en bredd på cirka 1 mikrometer för varje block bevaras. Ännu bättre, stavarna kan kombineras för att skapa ett 2D-lager, eller ännu mer komplexa 3D-former, som helt enkelt kan skapas genom att skanna laserstrålen över chipet."
Ett ytterligare resultat av metoden är relaterat till 3-D-printning eller skulptering. Forskarna fann att genom att exponera de lasermodifierade områdena för ett specifikt kemiskt etsmedel, det är möjligt att realisera 3D-skulptur av hela wafern. De visade olika mikroskopiska komponenter, som mikrokanaler, genom-Si vias, konsoler och mikropelare. Att skapa några av dessa är oöverkomligt svårt med andra metoder. "Jag bör notera att det här är ett tillvägagångssätt för att skriva direkt med laser, utan användning av masker, billigt jämfört med reaktiv jonetsning och e-beam litografi, " säger Dr Serim Ilday, vid institutionen för fysik, en av medförfattarna till tidningen. Teamets tillvägagångssätt har den extra fördelen att alla de optiska och MEMS-enheter som visas i princip är kompatibla med de etablerade CMOS-tillverkningsmetoderna.
Inspirerad av framgångarna med "on-chip" silikonenheter, teamet myntade termen "in-chip"-enheter, som en förkortning för denna nya klass av komponenter baserad på direkt 3D-lasertillverkning. "Möjligheterna är oändliga. Det är troligt att metoden kommer att möjliggöra helt nya in-chip-enheter, såsom Si-fotonikkomponenter som kan användas för nära- och mid-IR-fotonik, eller slingrande mikrofluidkanaler som kan användas för att effektivt kyla elektroniska chips, " observerade prof. Ömer Ilday, en annan medförfattare till uppsatsen och medlem av avdelningarna för elektro- och elektronikteknik och fysik.
"Faktum är att " han fortsatte, "Vi har redan börjat visa nya in-chip-arkitekturer och funktioner, som att utveckla nya in-chip vågledare, laserskiva av wafers och utforska expansion till andra halvledare."
