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.
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).
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.
«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.
____________________________
Институт квантовых технологий МФТИ (ИКТ) выполняет исследования полного цикла от поисковых НИР до ОКТР по разработке технологий и оборудования в направлениях: квантовые системы, наноэлектроника, разработка приборов для научных исследований и технологии гибридной микроэлектроники.
ИКТ стоит у истоков создания открытого в 2025 году Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», который занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники». Его участниками совместно с МФТИ стали ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступили такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
