У світі мікроелектроніки та фотоніки швидкість виробництва часто стає головним обмежувачем впровадження нових технологій. Іонно-променева літографія, попри здатність створювати чіпи з екстремально малими техпроцесами, традиційно поступалася фотолітографії в продуктивності. Однак китайські дослідники представили метод, який кардинально змінює ситуацію, прискорюючи обробку кремнієвих пластин у сотні разів.

Прорив у Інституті фізики КАН

Група вчених з Інституту фізики Китайської академії наук (CAS) спільно з колегами з Гонконзького університету та інших організацій розробила спосіб масового формування тривимірних елементів фотонних чіпів. Результати роботи, опубліковані в журналі Advanced Materials, демонструють скорочення часу основного етапу виготовлення з кількох годин до десятків секунд.

Ключовим досягненням стало одночасне перетворення плоских наноструктур на всій поверхні 10-сантиметрової (4-дюймової) пластини за один прохід. Дослідники забезпечили однорідність вигинів для більш ніж 97% виготовлених наноелементів, що відкриває реальні перспективи для переходу до масового промислового виробництва.

Технологія «іонного оригамі»

Нова методика отримала назву «оригамі, індуковане іонним пучком». Процес починається зі створення плоских заготовок на мембранах з нітриду кремнію методом електронної літографії, які потім покриваються шаром золота. Наступний етап — опромінення пластини широким паралельним пучком іонів аргону.

Іони створюють дефекти та внутрішні механічні напруження в приповерхневому шарі матеріалу. Під їх впливом заздалегідь підготовлені елементи синхронно вигинаються, перетворюючись на задані тривимірні конструкції. В експериментах використовувалися двослойні елементи товщиною близько 50 нм кожен, при цьому формування масивів займало приблизно 20 секунд.

Паралельна обробка проти послідовної

У класичній іонно-променевій літографії сфокусований пучок обробляє структури послідовно, точка за точкою. Навіть невеликий ділянку розміром 100 × 100 мкм може вимагати до семи хвилин на обробку, а створення великих масивів займає години. Китайські вчені замінили цей підхід на використання широкого пучка, який впливає на всі елементи паралельно.

Завдяки цьому час перетворення скоротився більш ніж у сто разів і практично перестав залежати від кількості елементів на пластині. Важливо зазначити, що мова йде про прискорення конкретного етапу формування структури, тоді як повний цикл виробництва фотонного чіпа, природно, займе більше часу.

Практичне застосування та перспективи

Для демонстрації ефективності технології вчені створили два типи пристроїв. Першим стала тривимірна хіральна метаповерхня для задач кругової поляризації світла. Вона показала круговий дихроїзм 0,8 на довжині хвилі 3,41 мкм, що свідчить про високу здатність розрізняти ліву та праву кругову поляризацію.

Другим прикладом стала вигинна плазмонна ґратка. При зміні її кривизни резонанс перестраюється більш ніж на 150 нм у видимій області спектра. Подібні структури можуть знайти застосування в поляризаційних датчиках, спектральних фільтрах, оптичних мережах зв'язку та інтегрованих фотонних схемах. У подальшому дослідники планують оцінити промислову придатність методу, вивчивши рівень браку, довговічність схем та собівартість техпроцесів.