Lasers infrarouges moyens intenses : quelle place dans l’avènement de l’usinage 3D du silicium ?
En déplaçant le domaine spectral vers l’infrarouge moyen, des chercheurs du laboratoire LP3 (CNRS/Aix-Marseille Université) mettent en évidence que l’écriture laser dans le volume du silicium y conserve un régime d’interaction « auto-limité ». Les observations, inédites dans un domaine spectral jusqu’à présent inexploré, participent à identifier les voies technologiques les plus prometteuses pour le développement de micro-procédés 3D directement applicables aux semi-conducteurs.
Avec l’avènement de nouvelles technologies lasers ultrarapides toujours plus loin dans l’infrarouge, la fabrication directe de dispositifs en trois dimensions à l’intérieur même du silicium, matériau de base de la microélectronique, devient envisageable. Toutefois, cette technologie bute encore sur un verrou : les effets non linéaires indispensables pour déposer l’énergie laser en volume déforment également fortement le faisceau, rendant le procédé difficilement contrôlable dans l’infrarouge proche.
Dans une étude publiée dans la revue Applied Physics Letters en juin 2026, le laboratoire LP3 (CNRS/Aix-Marseille Université) explore une piste intuitivement prometteuse : l’utilisation de longueurs d’onde plus élevées que les approches actuelles, dans le domaine de l’infrarouge moyen. À l’aide d’impulsions ultracourtes (moins de 200 femtosecondes) focalisées avec de longueurs d’onde à 1,4 µm et 4 µm, les chercheurs comparent systématiquement la formation de microplasmas et la modification du silicium dans des conditions de focalisation identiques. Un résultat marquant est alors obtenu : quelle que soit la longueur d’onde utilisée, le silicium génère des microplasmas bien définis dont la densité de porteurs libres générés plafonne à environ 10²⁰ cm⁻³. Ce phénomène d’« auto-limitation », déjà observé dans l’infrarouge proche en 2014 par la même équipe, persiste donc dans l’infrarouge moyen. Le matériau se comporte ainsi comme un « fusible optique » naturel : au-delà d’un certain seuil d’intensité, l’ionisation sature et les changements de condition d’irradiation influent principalement sur le niveau de confinement des interactions.
Ces travaux confirment que le régime auto-limité est une propriété intrinsèque de l’interaction ultrabrève laser-silicium sur une large gamme infrarouge. Ils montrent également que des effets de filamentation des faisceaux prennent le relais pour limiter la localisation prévue lorsque la longueur d’onde augmente et que la non-linéarité d’interaction augmente. Une conséquence est la difficulté à atteindre, indépendamment de la longueur d’onde, les régimes de modification permanente avec les impulsions les plus courtes, pourtant habituellement privilégiées pour les procédés de haute précision. Ces résultats apportent des données essentielles au projet PROSECO (PEPR LUMA), qui vise à développer de nouvelles technologies lasers à large spectre et/ou multi-longueurs d’onde, avec des solutions infrarouges avancées pour les procédés 3D dans le silicium. Les applications potentielles portent sur les circuits photoniques intégrés, le soudage de semi-conducteurs ou l’usinage 3D par formation directe de nano-cavités dans la matière.
Contact
David Grojo, Directeur de recherche, CNRS.
Référence
Qiong Xie, Niladri Ganguly, Pol Sopeña, David Grojo. ”Persistence of self-limited conditions in bulk silicon induced by mid-infrared femtosecond laser pulses”, Appl. Phys. Lett. 1 June 2026; 128 (22): 221105. https://doi.org/10.1063/5.0334492
Ce travail résulte du projet PROSECO, qui a bénéficié d’une aide de l’État gérée par l’Agence Nationale de la Recherche au titre de France 2030 portant la référence ANR-24-EXLU-0012.
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