Projet PROSECO
© De Dietrich Process Systems
Structuration des semiconducteurs par des sources de lumière avancées
Mots-clés
Structuration 3D ; soudage ; ultrarapide ; lasers ; semi-conducteurs : modulation spatiale de la lumière : nanoplasmas
Résumé
L’écriture laser directe est une puissante technique sans contact, largement utilisée pour la structuration tridimensionnelle, le perçage ou encore la soudure de matériaux diélectriques. Son efficacité repose sur l’utilisation d’impulsions laser ultracourtes et exploite les propriétés d’absorption non linéaire des matériaux transparents. Cette absorption nonlinéaire permet de localiser précisément le dépôt d’énergie tout en minimisant les dommages aux zones adjacentes. Les mécanismes clés de cette précision incluent la fusion locale des matériaux, à la base du soudage laser, mais également, à plus haute intensité la génération de nano-plasmas et de micro-explosions. Bien que cette technique ait connu un grand succès dans les diélectriques transparents, son application aux semi-conducteurs – et en particulier au silicium cristallin – reste un défi majeur. Le silicium, matériau clé de l’industrie des semi-conducteurs, présente un indice de réfraction élevé, une réflectivité élevée et sa bande interdite est étroite. Ces propriétés perturbent le couplage lumière-matière et compliquent la focalisation du faisceau, rendant le dépôt d’énergie imprécis, difficile, et insuffisamment localisé pour atteindre le seuil requis pour des modifications contrôlées. Des avancées récentes ont cependant permis de surmonter ces difficultés grâce à des dispositifs et méthodes non conventionnels, telles que l’hyperfocalisation par immersion solide, des trains d’impulsions à haute répétition ou encore une préionisation préliminaire via la combinaison d’impulsions courtes (fs) et longues (ps-ns). Les performances restent cependant insatisfaisantes au regard des applications visées.
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Une alternative prometteuse et encore très peu explorée consiste à décaler la longueur d’onde du laser vers des plages plus longues, en particulier dans l’infrarouge moyen (~2–4 μm). À ces longueurs d’onde, les effets non linéaires tels que l’auto-focalisation devraient diminuer, tandis que les pertes de résolution spatiale pourraient être compensées par des processus d’absorption non linéaire d’ordre supérieur. Cependant, les interactions lumière-semi-conducteur à ces longueurs d’onde et intensités restent extrêmement complexes. Des phénomènes tels que l’ionisation tunnel s’ajoutent en effet à l’ionisation multiphotonique.
La proposition PROSECO vise à explorer ces régimes d’interaction en utilisant des sources femtosecondes infrarouges, entre 2 et 4 μm, couplées à des techniques avancées de mise en forme spectrale et spatio-temporelle des impulsions. L’objectif est de surmonter les goulets d’étranglement identifiés dans la structuration des semi-conducteurs, et ce, dans le cadre de deux processus spécifiques : (1) la formation de nano-vides et de nano-canaux, et (2) le soudage de matériaux semi-conducteurs. Pour contrôler la propagation non linéaire des faisceaux dans l’infrarouge moyen, le projet prévoit le développement de modulateurs spatiaux de lumière thermo-optiques. Cette nouvelle classe de SLMs est ultra-large bande et adressable optiquement. Ces dispositifs, dotés d’une grande ouverture, d’une large dynamique de phase et d’une résistance élevée au flux laser, sont particulièrement adaptés à la gamme spectrale infrarouge, pour laquelle il n’existe pas de dispositif commercial efficace. Parallèlement, une source paramétrique polyvalente est en cours de développement pour faciliter la soudure de semi-conducteur et explorer de nouveaux schémas d’écriture ultrarapide. Le projet intègre également un volet de simulation robuste basé sur des modèles particule-dans-cellule (PIC) pour décrypter les interactions complexes des plasmas dans les solides. Plus généralement, PROSECO vise à ouvrir la voie à des percées dans la structuration et la soudure de semi-conducteurs, permettant ainsi le développement de nouveaux procédés technologiques pour la microélectronique, la microfluidique et la photonique de demain.
Consortium
INPHYNI • Nice
Institut de Physique de Nice
Nicolas Forget, Aurélie Jullien, Cyrille Claudet
LP3 • Marseille
Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques
David Grojo, Pol Sopena Martinez
Femto-ST • Besançon
Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies
François Courvoisier, Remo Giust, Luc Froehly, Luca Furfaro
Publications
Documents récupérés de l'archive ouverte HAL 
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