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Interactions infrarouges intenses à l’intérieur des semiconducteurs

Contact : D. Grojo

Ionisation non-linéaire des semi-conducteurs par lasers infrarouges ultra-rapides pour le développement de procédés 3D dans les technologies silicium.

La fabrication et l’évaluation non-destructive des technologies silicium restent aujourd’hui essentiellement basées sur des méthodes optiques. Néanmoins, les matériaux semi-conducteurs étant opaques dans la partie visible du spectre, cela reste des techniques de surface et de nombreuses étapes sont nécessaires pour traiter des dispositifs à trois dimensions. De nouvelles perspectives émergent avec l’interaction simultanée de plusieurs photons infrarouges de lasers intenses et qui permet de travailler localement dans le volume. En utilisant des lasers femtosecondes accordables en longueur d’onde, nous étudions les spécificités des régimes d’interaction multiphotonique dans les semiconducteurs. Cette thématique originale est menée au LP3 depuis 2010 avec un projet ANR de recherche exploratoire Multiphoton E-Inject (ANR- 2010-JCJC-913 01).

La formation de microplasmas par ionisation non-linéaire conduit à de nouvelles modalités expérimentales pour la sécurité et les diagnostics à l’intérieur de dispositifs microélectronique. Ces aspects sont étudiés dans le cadre d’un projet HIT AMIDEX avec des partenaires de la microélectronique (ST Microelctronics, CEA Tech, IM2NP). Ils permettent également de développer des stratégies pour obtenir des modifications permanentes sous la surface du silicium. Cette nouvelle capacité pourrait changer la façon dont de nombreuses technologies silicium sont fabriquées.











Microplasma induit par impulsions lasers infrarouges intenses pour le contrôle et le micro-usinage 3D des technologies silicium









Analyses spatio-temporelles de microplasmas induits dans le silicium par laser femtoseconde infrarouge.

Contrairement aux matériaux diélectriques, les propriétés intrinsèques des semi-conducteurs empêchent le claquage optique des matériaux par des impulsions laser femtosecondes. Nous étudions avec des partenaires internationaux (Kansas State University, USA ; Australian National University, Autralie) les facteurs qui expliquent cette spécificité. Une première approche pour étudier la physique d’ionisation consiste à mesurer le dépôt d’énergie des impulsions ionisantes avec de l’instrumentation infrarouge. En se concentrant sur le silicium, nous développons également des expériences de microscopie pompe-sonde (contrastes d’amplitude et de phase) permettant d’imager directement avec un grande résolution temporelle et spatiale la zone d’interaction à l’intérieur du matériau. Cela nous permet d’étudier le confinement de l’interaction et les effets qui empêchent le micro-usinage dans le volume du silicium. Enfin, nous étudions les moyens de renforcer le dépôt d’énergie. Cela nous conduit à l’utilisation d’impulsions plus longues pour un emballement thermique initié par l’ionisation multiphotonique. L’obtention de modifications permanentes en profondeur dans le silicium a été démontrée, pour la première fois, sans affecter la surface. L’objectif à moyen terme est l’intégration monolithique sur silicium de fonctionnalités optiques, fluidiques et électroniques.



Pour en savoir plus…
- MOUSKEFTARAS A., RODE A.V., CLADY R., SENTIS M., UTEZA O., GROJO D., Self-limited underdense microplasmas in bulk silicon induced by ultrashort laser pulses, Applied Physics Letters 105 (2014) 191103 ; http://dx.doi.org/10.1063/1.4901528
- GROJO D., LEYDER S., DELAPORTE P., MARINE W., SENTIS M., UTEZA O., Long-wavelength multiphoton ionization inside band-gap materials, Physical Review B 88 (2013) 195135 ; http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB....
- GROJO D., MOUSKEFTARAS A., DELAPORTE P., LEI S., Limitations to laser machining of silicon using femtosecond micro-Bessel beams in the infrared, Journal of Applied Physics 117 (2015) 153105 ; http://dx.doi.org/10.1063/1.4918669
- MITRA S., CHANAL M., CLADY R., MOUSKEFTARAS A., GROJO D., Millijoule femtosecond micro-Bessel beams for ultra-high aspect-ratio machining, Applied Optics 54 (2015) 7358 ; http://dx.doi.org/10.1364/AO.54.007358
- LEYDER S., GROJO D., DELAPORTE Ph., MARINE M., SENTIS M., UTEZA O., Non-linear absorption of focused femtosecond laser pulses at 1.3 µm inside silicon : independence on doping concentration, Applied Surface Science 278, pp. 13-18, (2013) ; http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc....


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