Soutenance de thèse de GANGULY Niladri
Titre de thèse
Stratégies de mise en forme de faisceaux infrarouges pour la microstructuration interne du silicium par lasers ultra-rapides
Beam shaping strategies for internal microstructuring of silicon with ultrafast lasers
Résumé de la thèse
L'écriture laser tridimensionnelle (3D) à l'intérieur des matériaux à faible largeur de bande interdite tels que le silicium offre des perspectives pour de nouvelles technologies de fabrication en microélectronique et en photonique sur silicium. Cependant, le niveau de performance dans le silicium avec des impulsions ultra-brèves reste, jusqu'à présent, inférieur à celui qui peut être atteint dans les diélectriques. Dans cette thèse, nous présentons des solutions de mise en forme du faisceau (passives et actives) afin d'élargir la gamme des paramètres de contrôle et optimiser les conditions d'interaction laser. Le concept fondamental consiste à ajouter des composantes d'irradiation pour améliorer le confinement spatio-temporel de l'énergie laser dans le but d'accéder à de nouveaux régimes de structuration interne du silicium. Nous décrivons deux avancées majeures dans le domaine avec la manipulation spatio-temporelle d'impulsions infrarouges ultracourtes avec une longueur d'onde de 1,55 µm. Tout d'abord, nous montrons que la combinaison d'un axicon et d'une lentille de focalisation avec des impulsions de 50 ps peut constituer une technique simple et efficace pour la fabrication directe de microstructures en silicium à grand rapports de forme (>700) avec un changement d'indice positif élevé. En caractérisant les changements transitoires et permanents des propriétés du silicium le long des microcanaux d'interaction, nous discutons du potentiel de l'approche pour de nouvelles technologies d'interconnexion verticale dans les technologies silicium. Deuxièmement, nous présentons une solution unique de mise en forme du faisceau permettant de produire des faisceaux à propagations opposées pour des interactions coopératives à l'intérieur du silicium. Pour des impulsions laser ultra-brèves appliquées avec cette nouvelle méthode, nous étudions le niveau d'excitation accessible et démontrons la formation de microplasmas denses présentant des densités de porteurs libres proches de la densité critique du plasma ($sim$10$^{20}$~cm$^{-3}$). Avec des impulsions picosecondes, la méthode permet d'induire des changements d'indice de réfraction importants depassant 2,%, une valeur inaccessible par focalisation conventionnelle. Malgré ces améliorations, l'accès à des conditions de transformation plus extrêmes dans le silicium, similaires à celles associées aux régimes de microexplosion dans les diélectriques, n'a pas été observée. Cependant, nos études confirment sans équivoque la capacité des stratégies de mise en forme du faisceau à optimiser largement les interactions dans le silicium, ouvrant ainsi une voie vers ces conditions extrêmes essentielles pour de nouvelles capacités de fabrication 3D, mais aussi pour de nouvelles explorations en sciences des matériaux.
Thesis resume
Three-dimensional (3D) laser writing in the bulk of narrow-bandgap materials such as silicon holds potential for new manufacturing practices in microelectronics and silicon photonics. However, the demonstrated level of processing performance in silicon with ultrashort pulses to date falls short in comparison to what is today achievable in dielectrics. In this thesis, we introduce advanced beam-shaping solutions (both passive and active) to broaden the range of control parameters and optimize the laser interaction conditions in silicon. The fundamental concept is to rely on high-angular irradiation components to enhance the space-time laser energy confinements with the aim to access new internal structuring regimes in silicon. We describe two major developments for spatiotemporal manipulations of ultrashort infrared pulses at 1.55-$upmu$m wavelength. First, we describe how a direct combination of an axicon and a lens with 50-ps pulses can represent a simple and efficient technique for direct fabrication of ultra-high-aspect-ratio (>700) through-silicon microstructures exhibiting a high positive index change. By characterizing the transient and permanent changes of silicon properties along the produced microchannels, we discuss the potential for new vertical interconnect technologies in silicon chips. Secondly, we introduce a unique beam-shaping solution to produce counterpropagating beams for cooperative interactions inside silicon. Using ultrashort laser pulses with this new method, we study the accessible level of excitations and demonstrate the formation of dense microplasmas exhibiting free-carrier densities approaching the critical plasma density ($sim$10$^{20}$~cm$^{-3}$). With picosecond pulses, the method permits to induce large refractive index changes exceeding 2,%, a value inaccessible by single-beam Gaussian focusing. Despite these improvements, the achievement of more extreme transformation conditions in silicon, similar to those associated to the microexplosion regimes in dielectrics have not been observed. However, our studies unequivocally confirm the capacity of beam shaping strategies to largely optimize interactions in silicon, thereby opening a route to these extreme conditions essential for novel 3D manufacturing capabilities but also for new Material Science explorations.