Ученые МФТИ сконструировали аддитивную систему для сухой аэрозольной печати микросхем

Сотрудники Московского физико-технического института создали принтер для аддитивного производства микроэлектронных компонентов методом сухой аэрозольной печати. Оборудование не использует жидкие чернила, растворители или связующие вещества, вместо этого синтезируя наночастицы прямо в процессе печати методом электрического газового разряда, а затем укладывая их на подложку сфокусированным аэрозольным пучком.

Схема принтера: система лазерного спекания (1), лазерный оптимизатор (2), газоразрядный генератор наночастиц (3), рабочая камера (4), стенд оператора (5) и управляющий компьютер (6)

Ключевой фактор быстрого развития печатной электроники — более низкие производственные затраты по сравнению с традиционными технологиями, основанными на литографии. Традиционная фотолитография — сложный, многостадийный и дорогой процесс, требующий чистых комнат, вакуумных установок, агрессивных химикатов и огромного расхода материалов.

Аддитивные технологии требуют значительно меньше материалов и самих процессов, но все известные методы включают использование в составе чернил наночастиц или растворы прекурсоров для формирования микроструктур. После печати эти растворители необходимо медленно удалять, а затем проводить высокотемпературный обжиг для удаления остатков полимеров и сплавления наночастиц в сплошные проводящие дорожки. Процесс не только отнимает время, но и часто приводит к загрязнению микросхем продуктами разложения добавок, что может сказываться на электрических и механических характеристиках. Кроме того, трудоемок и сам процесс приготовления чернил: они должны быть идеально однородными, стабильными и обладать нужной вязкостью, что серьезно ограничивает выбор доступных материалов.

Растущие требования к качеству и разнообразию микроэлектронных устройств требуют инновационных подходов к проектированию и созданию высокоточных компонентов за счет усложнения архитектуры устройств и миниатюризации элементов. Подход ученых МФТИ основан на синтезе наночастиц в импульсном газовом разряде, их транспортировке в газовом потоке, фокусированном осаждении и спекании с помощью лазерного излучения, что позволяет обходиться без растворителей и функциональных добавок, сообщает пресс-служба вуза.

«Наше устройство, в отличие от аналогов, не требует хранения чернил и постобработки структур. Отказ от использования традиционных чернил и переход к манипулированию сухими наночастицами казался сначала неочевидным решением, поскольку синтез наночастиц методом газового разряда давал агломераты наночастиц. При их использовании в печати структуры имели высокую пористость, что ограничивало применение устройства и не позволяло создавать высокопроводящие печатные дорожки. Чтобы преодолеть это, требовалось внедрить эффективный метод обработки агломератов, позволяющий преобразовывать их в сферические наночастицы в режиме реального времени. В результате наш принтер объединил в себе четыре последовательно реализуемых техпроцесса — генерацию частиц в импульсном газовом разряде, лазерную модификацию их формы и размера, фокусировку аэрозольного пучка и, наконец, лазерное спекание наночастиц на подложке», — рассказал научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ Владислав Борисов.

Основным элементом новой установки служит генератор наночастиц, работающий на основе импульсного газового разряда: конденсатор периодически заряжается до напряжения в 4 кВ, а затем разряжается через межэлектродный промежуток, заполненный инертным газом. Частота таких разрядов составляет около шестисот в секунду. Амплитуда тока в разряде — 300–1000 А, и течет он не равномерно, а через множество тончайших плазменных каналов — сотен микроскопических «горячих точек» на поверхностях электродов. В каждой такой точке размером до двадцати микрометров плотность тока колоссальна, что приводит к взрывному разрушению микровыступов на электроде. В результате от электрода буквально отрываются мельчайшие капельки расплавленного металла, которые конденсируются в наночастицы размером пять-пятнадцать нанометров. Поток инертного газа — аргона — через разрядную камеру увлекает свежесинтезированные частицы за собой.

Следующий этап — фокусировка. Сферические наночастицы, увлекаемые потоком газа-носителя, поступают в сопло. Вокруг центрального канала с аэрозолем под большим давлением подается фокусирующий газ. Он сжимает аэрозольную струю, уменьшая ее диаметр. Меняя соотношение потоков газов и диаметр выходного отверстия сопла можно регулировать ширину печатаемых линий. Печать происходит внутри вакуумной камеры при давлении около сорока миллибар, что устраняет сопротивление воздуха и не дает пучку расширяться раньше времени. Так на подложке появляются линии шириной в десятки микрометров.

Золотая дорожка шириной 39,1 микрометра, примерно в два раза уже человеческого волоса

Последний штрих — лазерное спекание. В отличие от традиционного отжига в печи, который может расплавить или повредить чувствительные полимерные подложки, наносекундные импульсы зеленого лазера греют только сами наночастицы, практически не затрагивая подложку. Лазерный луч подается в зону печати под углом, так что спекание происходит прямо во время осаждения частиц. Такой подход решает проблему неоднородности: при печати толстого слоя верхние частицы могут затенять нижние от лазера, но если спекать каждый слой по мере его нанесения, получается идеально однородная, плотная и высокопроводящая структура. Эксперименты показали, что при многослойной печати серебряных наноструктур удельное сопротивление достигает всего 2,2 от сопротивления кристаллического серебра.

В толстом слое видна сильная неоднородность и пористость, в то время как многослойная печать с промежуточным спеканием дает монолитную структуру

Принтер также имеет дополнительные режимы работы, значительно расширяющие возможности применения. Без включения лазерной системы спекания установка превращается в инструмент для создания плазмонных наноструктур. Если осаждать на подложку не спекшиеся, а просто сферические наночастицы после прохождения через лазерный оптимизатор, они образуют слой, который легко удаляется обычной сухой салфеткой. Это свойство очень важно для спектроскопии комбинационного рассеяния (SERS) — метода, позволяющего по сверхслабому сигналу находить отдельные молекулы вещества.

Наночастицы благородных металлов (золота, серебра) способны выступать в роли крошечных антенн, усиливающих сигнал рамановского рассеяния в миллионы раз, но проблема в том, что серебряные подложки быстро окисляются на воздухе, и их срок хранения ограничен. Новый аэрозольный принтер решает эту проблему кардинально: он создает плазмонную структуру прямо на исследуемом объекте в момент анализа. Этот метод открывает новые возможности для экспресс-анализа биологических жидкостей, медицинских диагностикумов и даже криминалистической экспертизы.

Третий режим работы принтера использует исходные, необработанные лазером агломераты наночастиц. Их гигантская удельная поверхность и пористая структура — идеальное качество для газовых сенсоров.

Таким образом, созданный в МФТИ прототип предоставляет возможность печатать проводящие дорожки, электроды, индуктивные элементы, а также создавать каталитические слои и плазмонные структуры на одном и том же оборудовании без использования жидкостей и с минимальной постобработкой. Вместо продолжительного цикла фотолитографии с десятками операций с помощью новой установки можно «нарисовать» микросхему за считанные минуты.

«Наш метод релевантен для формирования пассивных элементов микроэлектроники, плазмонных слоев оптоэлектронных устройств, микродатчиков и каталитических структур. Самое главное, мы устраняем риск загрязнения формируемой структуры солями от разложения стабилизаторов дисперсии или других компонентов чернил, которые могут снизить электрофизические и механические характеристики конечного устройства. В данный момент мы завершили изготовление опытного образца, государственные приемочные испытания пройдены успешно, и мы готовы к постановке нашего изделия на серийное производство», — рассказал Владислав Борисов.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, результаты опубликованы в журнале Physical and Chemical Processes in Atomic Systems.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.