В России подготовили к выходу на серийное производство принтер для печати микросхем без чернил и растворителей

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.

Золотая дорожка шириной всего 39,1 микрометра. Это примерно половина толщины человеческого волоса / © Physical and Chemical Processes in Atomic Systems

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. 

В толстом слое, спекшемся за один раз, видна сильная неоднородность и пористость, в то время как многослойная печать с промежуточным спеканием дает монолитную структуру / © Physical and Chemical Processes in Atomic Systems

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.