В России подготовили к выходу на серийное производство принтер для печати микросхем без чернил и растворителей
Коллектив исследователей Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ создал новый принтер для аддитивного производства микроэлектронных компонентов. Принтер сухой аэрозольной печати, в отличие от аналогов, не использует жидких чернил, растворителей или связующих веществ. Вместо этого он синтезирует наночастицы прямо в процессе печати методом электрического газового разряда, а затем укладывает их на подложку сфокусированным аэрозольным пучком.
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, похожий на проявку фотографий, только на кремниевой пластине. Он требует чистых комнат, вакуумных установок, агрессивных химикатов и огромного расхода материалов.
Альтернативные аддитивные технологии — создание объекта по электронной модели путем послойного добавления необходимых компонентов — 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 удалить (просушить изделие), а затем провести высокотемпературный обжиг для удаления остатков полимеров, а также сплавить наночастицы в сплошную проводящую дорожку. Этот процесс не только занимает время, но и часто приводит к загрязнению микросхемы продуктами разложения добавок, что может сказаться на ее 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. Новый 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 отказаться от растворителей и функциональных добавок. Это дает возможность создавать чистые микроструктуры без последующей обработки и открывает широкие возможности для внедрения сухой аэрозольной печати в технологические процессы микроэлектроники. Работа опубликована в журнале Physical and Chemical Processes in Atomic Systems. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект №075-15-2024-560).
«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 о работе Владислав Борисов, научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ.
Основным элементом новой установки является генератор наночастиц, работающий на основе импульсного газового разряда: конденсатор периодически заряжается до напряжения 4 киловольта, а затем разряжается через межэлектродный промежуток, заполненный инертным газом. Частота таких разрядов составляет около 600 раз в секунду. Амплитуда тока в разряде — 300–1000 ампер, и течет он не равномерно, а через множество тончайших плазменных каналов — сотен микроскопических «горячих точек» на поверхности электродов. В каждой такой точке, размером до 20 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 5–15 нанометров. Поток инертного газа-носителя (аргона) непрерывно продувается через разрядную камеру, увлекая 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 ученые могут регулировать ширину печатаемой линии. Печать происходит внутри вакуумной камеры при давлении около 40 миллибар, что устраняет сопротивление воздуха и не дает пучку расширяться раньше времени. Так на подложке появляются линии шириной в десятки микрометров.
Наконец, финальный 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 их удельное сопротивление достигает всего 2,2 от сопротивления кристаллического серебра — отличный результат для аддитивной технологии.
Принтер также имеет дополнительные режимы работы, которые значительно расширяют возможности его применения. Так, установка без включения лазерной системы спекания 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 минимальным 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. Но 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 на серийное производство нашего изделия», — заключил Владислав Борисов.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые раскрыли причины удивительной сохранности крупнейшей из пирамид Гизы. Секрет того, что за прошедшие тысячелетия пирамиду не разрушили землетрясения, кроется в особенностях ее конструкции, в том числе в так называемых разгрузочных камерах, расположенных непосредственно над погребальной камерой фараона.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно