В России подготовили к серийному производству необычный принтер для микроэлектроники. Установка, созданная в МФТИ, печатает микроструктуры без чернил, растворителей и связующих веществ — наночастицы синтезируются прямо в процессе работы, а затем осаждаются на подложку сфокусированным аэрозольным пучком. Разработчики рассчитывают, что такой подход позволит быстрее и чище выпускать проводящие дорожки, электроды, датчики и другие элементы микроэлектроники.
Коллектив исследователей Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ создал принтер сухой аэрозольной печати для аддитивного производства микроэлектронных компонентов. Главное отличие установки от существующих аналогов в том, что она не использует жидкие чернила, растворители и связующие вещества.
Вместо этого устройство синтезирует наночастицы прямо во время печати с помощью электрического газового разряда. Затем они переносятся в газовом потоке, фокусируются в узкий аэрозольный пучок и укладываются на подложку. После этого структура спекается лазером прямо в процессе формирования.
Разработчики объясняют, что традиционная фотолитография остается сложным, дорогим и многостадийным процессом. Она требует чистых комнат, вакуумных установок, агрессивной химии и большого расхода материалов. Аддитивные методы выглядят проще и дешевле, но обычно тоже завязаны на чернила с наночастицами или растворы прекурсоров. После такой печати изделие приходится долго сушить, а затем подвергать высокотемпературной обработке, чтобы удалить остатки добавок и сплавить частицы в проводящую дорожку.
Именно на этом этапе и возникают проблемы. Постобработка занимает время, может загрязнять структуру продуктами разложения и ограничивает выбор материалов. Новый подход МФТИ должен убрать эти ограничения: печать идет без жидкостей, а значит, без сушки, отжига и лишних загрязнений.
Как рассказал научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ Владислав Борисов, устройство объединяет сразу четыре техпроцесса в одной установке: генерацию частиц в импульсном газовом разряде, лазерную модификацию их формы и размера, фокусировку аэрозольного пучка и лазерное спекание наночастиц на подложке.
Основной элемент системы — генератор наночастиц на базе импульсного газового разряда. Конденсатор заряжается до 4 киловольт, затем разряжается через межэлектродный промежуток с инертным газом. Разряды происходят с частотой около 600 раз в секунду, а ток проходит через множество микроскопических плазменных каналов. В результате с поверхности электрода буквально вырываются мельчайшие капли расплавленного металла, которые затем конденсируются в наночастицы размером 5–15 нанометров. Поток аргона уносит их дальше по системе.
Следующий этап — фокусировка. Сферические наночастицы поступают в сопло, где поток фокусирующего газа сжимает аэрозольную струю. За счет этого можно управлять шириной печатной линии. Печать ведется в вакуумной камере при давлении около 40 миллибар, что не дает пучку преждевременно расширяться. В результате на подложке можно формировать линии шириной в десятки микрометров.
На финальном этапе подключается лазерное спекание. В отличие от обычного отжига в печи, наносекундные импульсы зеленого лазера нагревают в основном сами наночастицы и почти не затрагивают подложку. Это особенно важно для чувствительных полимерных материалов. Лазер подается в зону печати под углом, поэтому спекание происходит прямо во время осаждения. Такой режим позволяет получать более плотные и однородные структуры.
По данным исследователей, при многослойной печати серебряных наноструктур удельное сопротивление удалось довести до значения, равного 2,2 от сопротивления кристаллического серебра. Для аддитивной технологии это очень высокий результат.
Читайте также: «Найден способ в 1000 раз быстрее создавать новый материал для чипов».