Uma equipe do laboratório Lasers, plasmas et procédés photoniques desenvolveu uma tecnologia de escrita laser tridimensional dentro de chips de silício. Publicada na Nature Communications, a abordagem deles explora microplasmas para atingir uma resolução sem precedentes e pode transformar o projeto de circuitos integrados.
Torre Eiffel em 3D gravada sob a superfície de uma pastilha de silício com uma precisão acessível apenas por gravação a plasma. As observações são realizadas por microscopia infravermelha de transmissão lateral e de campo escuro (vista de cima). A estrutura é projetada a partir de voxels gravados, separados por 2 µm. Escala: 20 µm.
© Wang, A., Das, A., Fedorov, V.Y. et al.
A escrita laser tridimensional por pulsos ultracurtos já transformou muitas tecnologias de fabricação, como a microeletrônica ou a fotônica quântica. Ela permite estruturar o interior de materiais transparentes, como o vidro, para criar componentes ópticos miniaturizados e microestruturas precisas sem danos térmicos. No entanto, essa técnica ainda é raramente usada na fabricação de semicondutores, como o silício, devido às suas propriedades ópticas restritivas. Seu alto índice de refração e fortes não linearidades impedem a localização suficiente da energia luminosa para escrever com precisão.
A equipe de Andong Wang e David Grojo, do laboratório Lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3, Universidade Aix-Marseille/CNRS), desenvolveu uma solução inspirada na óptica de plasmas. O conceito se baseia em uma dupla ionização sincronizada. O primeiro pulso, de um femtosegundo, no silício permite gerar o microplasma (pré-ionização). O segundo pulso, mais lento, deposita então a energia necessária para modificar o material. O microplasma atua como um guia, concentrando o depósito de energia em sua frente de onda. Para validar sua abordagem, os cientistas conseguiram "escrever" uma Torre Eiffel de menos de 200 micrômetros a alguns micrômetros sob a superfície de uma pastilha de silício.
Os trabalhos mostraram uma resolução muito relevante dessa técnica, mas também a presença, nas zonas modificadas, de domínios amorfos de silício. Esta amorfização local, há muito buscada pelo setor, permite considerar a engenharia do índice de refração para a fotônica integrada (para controlar a propagação da luz). Além disso, esta pesquisa também demonstrou a reversibilidade do processo. As modificações realizadas nos materiais podem ser apagadas localmente por uma nova irradiação a laser, e isso até mais de 100 ciclos de escrita e apagamento no mesmo suporte. Esta capacidade permitiu criar códigos QR no interior de pastilhas de silício, escritos, apagados e reescritos no mesmo local. Entre as aplicações potenciais: a marcação à prova de falsificação e a rastreabilidade na indústria de semicondutores.
A fabricação de dispositivos reconfiguráveis constitui um objetivo de longa data para a fotônica quântica. A tecnologia desenvolvida pela equipe do LP3 oferece uma alternativa às soluções atuais baseadas em estimulação térmica ou eletromecânica. Ela também pode ser estendida a outros materiais semicondutores além do silício. Os pesquisadores patentearam sua abordagem e planejam transformar a maneira como os circuitos integrados são projetados. Um desafio estratégico em um mercado global avaliado em mais de 600 bilhões de dólares em 2024, e ainda amplamente dominado pela Ásia.