В мире микроэлектроники и фотоники скорость производства часто становится главным ограничителем внедрения новых технологий. Ионно-лучевая литография, несмотря на способность создавать чипы с экстремально малыми техпроцессами, традиционно проигрывала фотолитографии в производительности. Однако китайские исследователи представили метод, который кардинально меняет ситуацию, ускоряя обработку кремниевых пластин в сотни раз.

Прорыв в Институте физики КАН

Группа ученых из Института физики Китайской академии наук (CAS) совместно с коллегами из Гонконгского университета и других организаций разработала способ массового формирования трехмерных элементов фотонных чипов. Результаты работы, опубликованные в журнале Advanced Materials, демонстрируют сокращение времени основного этапа изготовления с нескольких часов до десятков секунд.

Ключевым достижением стало одновременное преобразование плоских наноструктур на всей поверхности 10-сантиметровой (4-дюймовой) пластины за один проход. Исследователи обеспечили однородность изгибов для более чем 97% изготовленных наноэлементов, что открывает реальные перспективы для перехода к массовому промышленному производству.

Технология «ионного оригами»

Новая методика получила название «оригами, индуцированное ионным пучком». Процесс начинается с создания плоских заготовок на мембранах из нитрида кремния методом электронной литографии, которые затем покрываются слоем золота. Следующий этап — облучение пластины широким параллельным пучком ионов аргона.

Ионы создают дефекты и внутренние механические напряжения в приповерхностном слое материала. Под их воздействием заранее подготовленные элементы синхронно изгибаются, превращаясь в заданные трехмерные конструкции. В экспериментах использовались двухслойные элементы толщиной около 50 нм каждый, при этом формирование массивов занимало примерно 20 секунд.

Параллельная обработка против последовательной

В классической ионно-лучевой литографии сфокусированный пучок обрабатывает структуры последовательно, точка за точкой. Даже небольшой участок размером 100 × 100 мкм может требовать до семи минут на обработку, а создание крупных массивов занимает часы. Китайские ученые заменили этот подход на использование широкого пучка, который воздействует на все элементы параллельно.

Благодаря этому время преобразования сократилось более чем в сто раз и практически перестало зависеть от количества элементов на пластине. Важно отметить, что речь идет об ускорении конкретного этапа формирования структуры, тогда как полный цикл производства фотонного чипа, естественно, займет больше времени.

Практическое применение и перспективы

Для демонстрации эффективности технологии ученые создали два типа устройств. Первым стала трехмерная хиральная метаповерхность для задач круговой поляризации света. Она показала круговой дихроизм 0,8 на длине волны 3,41 мкм, что свидетельствует о высокой способности различать левую и правую круговую поляризацию.

Вторым примером стала изгибаемая плазмонная решетка. При изменении ее кривизны резонанс перестраивается более чем на 150 нм в видимой области спектра. Подобные структуры могут найти применение в поляризационных датчиках, спектральных фильтрах, оптических сетях связи и интегрированных фотонных схемах. В дальнейшем исследователи планируют оценить промышленную пригодность метода, изучив уровень брака, долговечность схем и себестоимость техпроцессов.