Conversion-Raman de lasers ultra-rapides Kilowatt pour l’accès aux régimes de microexplosion dans le silicium et de nouvelles technologies de microfabrication 3D – KiSS

Les impulsions laser ultra-brèves fortement focalisées permettent des micro-explosions dans la matière avec des conditions de pression (> 10 TPa) et température (> 10^5 K) inaccessibles par toute autre technique. Cette recherche permet des avancées majeures en Sciences des Matériaux avec la synthèse et l’étude de phases cristallines super-denses aux propriétés uniques. Elle intéresse aussi directement les applications industrielles car les mêmes conditions de compression dynamique de la matière permettent de micro-usiner avec une grande flexibilité des canaux et des structures 3D sous la surface des solides.
Cependant, toutes ces avancées restent jusqu'à présent limitées aux matériaux diélectriques transparents. Les tentatives à atteindre le régime de micro-explosion dans le volume du silicium ont échoué en raison d’effets non linéaires qui limitent fortement la densité de puissance laser infrarouge atteignable dans les matériaux à faible bande interdite. Avec des efforts conbinés sur des nouveaux schémas d'interaction et le développement de nouvelles solutions lasers infrarouges à haute puissance, le projet KiSS vise à atteindre des conditions de micro-explosions à l'intérieur du silicium.

Pour atteindre cet objectif ambitieux, KiSS entend capitaliser sur l'avènement de technologies lasers femtosecondes de classe kW et démontrer des schémas de conversion Raman efficace dans le diamant monocristallin. Sur cette base, nous visons des systèmes de classe >100W émettant dans le domaine de la transparence du silicium (1420 nm). Une caractéristique unique de la technologie proposée est une grande flexibilité aux niveaux de puissance les plus élevés dans cette région spectrale. La solution intégrera des technologies de mise en forme et contrôle de faisceaux intra- et extra-cavité afin que les caractéristiques spatio-temporelles des impulsions, délivrées à des taux de répétition élevés, puissent être ajustées avec précision (on-demand). Cet aspect est essentiel pour répondre aux exigences sévères identifiées pour l’écriture 3D dans les semi-conducteurs.
Sur le front des études d'interaction, un nouveau concept introduit avec KiSS est la géométrie à faisceaux croisés pour exalter les conditions à l'intérieur de la matière. Confortés par des résultats préliminaires, nous proposons des développements expérimentaux dans lesquels plusieurs impulsions contre-propagatives contribuent à l'interaction. Le contrôle sur la synchronisation et les caractéristiques spatiales de chaque impulsion doit ainsi fournir de nouveaux degrés de liberté pour améliorer les densités d'énergie déposée. L’objectif est de démontrer la validité du concept par le diagnostic ultra-rapide de conditions de micro-explosions obtenues pour la première fois dans le silicium.

Les développements proposés doivent conduire à un démonstrateur avec une capacité de traitement de grands volumes de matériaux en régime de micro-explosions. Il ouvrira de nouvelles perspectives dans l’exploration des transformations des solides. Il deviendra notamment possible de traiter plusieurs millimètres cubes de silicium avant des diagnostics structurels qui seront réalisés dans le cadre d’un travail collaboratif avec des experts du domaine (Australian National University). La synthèse contrôlée de nouvelles phases denses du silicium a un potentiel d’impact extraordinaire sur les technologies futures. Cependant, nous prévoyons également une pertinence industrielle immédiate avec les premières démonstrations d'écriture directe de circuits microfluidiques de refroidissement à l'intérieur de puces de silicium.

KiSS se concentre sur des technologies infrarouges qui ont un intérêt croissant dans de nombreux domaines (bio-imagerie, communication et traitement de données…). Il offre ainsi un potentiel de retombées dans des domaines scientifiques et technologiques allant bien au-delà des nouvelles technologies de micro-fabrication.