Natuurkundige Richard Feynman gaf ooit een lezing met de titel "Er is genoeg ruimte op de bodem." Deze lezing wordt vaak geciteerd om de successen van moderne micro- en nanofabricagetechnieken te benadrukken, en de waarde van de beschikbare ruimte die gepaard gaat met de vooruitgang in miniaturisatie. In dit opzicht, silicium, de basis van moderne computers, mobiele communicatie, en fotonische apparaten, heeft bewezen zeer capabel te zijn. Deze vorderingen worden meestal beschreven in termen van de wet van Moore. Echter, moderne processors zijn in wezen stapels vlakke structuren. In deze betekenis, silicium micro-elektronica en fotonica zijn nog steeds 2D.

Nutsvoorzieningen, een divers team van wetenschappers gecentreerd aan de Bilkent University en de Middle East Technical University (beide in Ankara, Turkije) hebben een manier gevonden om met laser geschreven structuren diep in siliciumchips te verpakken. In het laatste nummer van Natuurfotonica , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe aanpak, die een gefocusseerde infraroodlaserstraal gebruikt om bouwstenen met een resolutie van 1 μm te creëren in een stukje silicium. Voor de eerste keer, de onderzoekers demonstreren willekeurige 3D-fabricage in silicium, zonder structuren boven of onder.

Vervolgens, de onderzoekers hebben deze complexe 3D-architecturen omgezet in functionele optische apparaten zoals lenzen, golfgeleiders, hologrammen en andere optische elementen. "We hebben dit bereikt door gebruik te maken van dynamiek die voortkomt uit niet-lineaire laser-materiaalinteracties, leidend tot beheersbare bouwstenen, " zegt Dr. Onur Tokel van de afdeling Natuurkunde in Bilkent, wie is de hoofdauteur van het artikel. "In elke 3D-fabricagemethode, er is een afweging tussen snelheid, oplossing, en complexiteit. Met onze aanpak, we raken de goede plek. Het kritische besef is dat de meeste praktische componenten gemaakt kunnen worden van staaf- of naaldachtige bouwstenen. Onze methode maakt het mogelijk om precies zulke blokken te maken, terwijl ook een breedte van ongeveer 1 micrometer voor elk blok behouden blijft. Beter nog, de staven kunnen worden gecombineerd om een ​​2D-laag te creëren, of zelfs meer complexe 3D-vormen, die eenvoudig kan worden gecreëerd door de laserstraal over de chip te scannen."

Een ander resultaat van de methode is gerelateerd aan 3D-printen of beeldhouwen. De onderzoekers ontdekten dat door de laser-gemodificeerde gebieden bloot te stellen aan een specifiek chemisch etsmiddel, het is mogelijk om de gehele wafer in 3D te beeldhouwen. Ze demonstreerden verschillende microscopische componenten, zoals microkanalen, via Si via's, uitkragingen en micropilaren. Het maken van sommige hiervan is onbetaalbaar moeilijk met andere methoden. "Ik moet opmerken dat dit een directe laserschrijfbenadering is, zonder het gebruik van maskers, goedkoop in vergelijking met reactief ionenetsen en e-beam lithografie, " zegt Dr. Serim Ilday, van het departement Natuurkunde, een van de co-auteurs van het artikel. De aanpak van het team heeft als bijkomend voordeel dat alle getoonde optische en MEMS-apparaten in principe compatibel zijn met de gevestigde CMOS-fabricagemethoden.

Geïnspireerd door de successen van "on-chip" siliciumapparaten, het team bedacht de term 'in-chip'-apparaten, als een verkorte beschrijving voor deze nieuwe klasse van componenten op basis van directe 3D-laserfabricage. "De mogelijkheden zijn eindeloos. Het is waarschijnlijk dat de methode volledig nieuwe in-chip-apparaten mogelijk zal maken, zoals Si-fotonica-componenten die kunnen worden gebruikt voor near- en mid-IR-fotonica, of meanderende microfluïdische kanalen die kunnen worden gebruikt om elektronische chips efficiënt te koelen, " merkte prof. Ömer Ilday op, een andere co-auteur van de paper en lid van de Electrical and Electronics Engineering and Physics Departments.

"Eigenlijk, " hij ging verder, "we zijn al begonnen met het tonen van nieuwe in-chip architecturen en functionaliteiten, zoals het ontwikkelen van nieuwe in-chip golfgeleiders, lasersnijden van wafers en het verkennen van uitbreiding naar andere halfgeleiders."