60飛秒鐳射脈衝寫入塊狀矽實驗裝置

經過20多年的不懈研究，科學家近日首次證明，飛秒鐳射可以結構上重構塊狀矽，從而進行高精度應用。

“塊狀矽”又稱矽體或矽棒，是指單晶體結構的高純度單質矽。它是半導體器件生產的主要材料，是未經切片、摻雜等加工的原料。

自上個世紀90年代末以來，研究人員一直在使用飛秒鐳射器的超短脈衝寫入具有寬頻隙的高純度單質單晶體材料，通常是絕緣體。但到目前為止，對於具有窄帶隙的材料，如矽和其他半導體，使用精密超快鐳射寫入是一件不可能完成的事情。

來自法國，卡達，俄羅斯和希臘的科學家近日在最新一期《自然通訊》雜誌上發表了名為“超快鐳射寫入塊狀矽片的跨越”論文。

科學家們發現，以前在塊狀矽中進行的超快鐳射寫入的實驗中，飛秒鐳射器在結構上無法對塊狀矽進行操作，即使鐳射能量提高到最高的脈衝強度時也是如此。新的研究發現，鐳射能量必須以突然的方式在介質中傳輸，以便使非線性吸收的損失最小化。

不同尺寸的鐳射器小數值孔徑對比

這一發現找到了以往實驗失敗的根源，問題在於鐳射器的小數值孔徑（NA）。也就是鐳射可以投射聚焦鐳射的角度範圍。為了重構塊狀矽，有必要獲得迄今為止最極端的NA值。

液浸式顯微鏡原理

為了達到這些極端的NA值，研究人員借鑑了一種稱為固體顯微鏡的高階顯微鏡技術。這個方法類似於常用的液浸式顯微鏡，其中一小滴油被放置在載玻片上，由於油具有比空氣更大的折射率，因此當光在載玻片和顯微鏡之間行進時，油減少光學折射量（光的彎曲），從而這增加了NA值以及相關的顯微鏡的解析度。

在新研究中，科學家們使用矽球作為固體浸漬介質。他們發現，當鐳射聚焦在球體的中心時，它們可以完全抑制折射並大大增加NA值。極端NA值允許鐳射脈衝完成足夠的電離，以破壞矽中的化學鍵，最終導致材料發生永久性的結構變化。

適用於矽材料的3D鐳射寫入技術是矽光子學領域一種革命，被視為微晶片製造的未來途徑。目前的矽材料製造，由於採用平面光刻技術（SOI技術），它仍然是2D世界，而3-D鐳射寫入矽材料的方法相當於是一臺3印表機，矽光子學專家能夠用這種技術設計立體的矽材料，這是一種顛覆性的新技術。