Ecriture par laser ultrarapide dans le silicium : dépendances aux caractéristiques temporelles des impulsions appliquées

Ultrafast laser writing in silicon : dependencies on the temporal characteristics of the applied pulses

• Auteur / Autrice : Amlan Das
• Direction : David Grojo, Olivier Utéza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Julien Lumeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Jullien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadjib Semmar, Tatiana Govorykha Itina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Lasers femtoseconde

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Laser femto-Seconde

Traitement au laser

Silicon

Femto-Second laser

Laser processing

Résumé

Il existe un intérêt croissant pour le développement de technologies d'écriture laser tridimensionnelle applicables au silicium (Si) pour relever certains défis associés à la microfabrication en microélectronique. Ce travail se concentre sur les investigations des paramètres de contrôle dans le domaine temporel, c'est-à-dire les caractéristiques temporelles des impulsions lasers. Il révèle la possibilité d'écrire des micro-modifications dans le volume de Si pour des durées d'impulsion dans le domaine picoseconde alors que l'écriture en régime femtoseconde reste impossible avec des configurations classiques de focalisation. Dans une démarche d'optimisation, des stratégies d'accumulation avec des trains d'impulsions à des fréquences de répétition THz sont également mises en œuvre et étudiées. Par rapport à l'irradiation avec des impulsions uniques, une amélioration systématique est obtenue. L’approche permet des démonstrations avec une fiabilité d’écriture améliorée. En complément de ces analyses, une étude de la dépendance du problème au contraste temporel des impulsions femtosecondes est proposée. Elle repose sur une approche à double-impulsion avec le développement d'un dispositif d'irradiation avec des impulsions femtosecondes synchronisées avec des impulsions picosecondes ou nanosecondes. Une forte dépendance au contraste est révélée. Ceci encourage à la mise en œuvre d'irradiations contrôlées sur plusieurs échelles de temps pour de futures optimisations. Dans sa globalité, l'étude donne une vision générale sur les caractéristiques temporelles des impulsions à considérer pour les applications d’écriture laser à l’intérieur des semiconducteurs.

There is today a growing interest in the development of three-dimensional laser writing technologies applicable to silicon (Si) because of its potential to address important challenges of the future microelectronics. This work concentrates on investigations on control parameters in the time-domain, i.e. the temporal characteristics of irradiating pulses. The study reveals the achievability of stable laser micro-modification writing for pulse durations exceeding few picoseconds whereas writing in the femtosecond regime remains impossible with conventional focusing configurations. Looking for optimizations in the picosecond domain, accumulation strategies with trains of pulses at THz repetition rates (so-called bursts) are also implemented and investigated. In comparison to single-pulse irradiation, a systematic improvement is obtained on the delivered energy density. Complementing the analyses, a study of the dependence of the problem to the temporal contrast of femtosecond pulses is proposed. It is based on a double-pulse approach with the development of a setup for irradiation with femtosecond pulses synchronized with picosecond or nanosecond pulses. Under appropriate conditions, picosecond pre- and post-pulse contributions lead to modifications that cannot be obtained with perfectly contrasted pulses. This strong contrast dependence encourages the implementation of multi-time scale-controlled irradiation in future developments. Overall, the study gives a general benchmark on the most appropriate temporal characteristics of pulses for stable and reliable laser writing capability inside narrow gap semiconductors.