CC BY
319
Секция «Цифровые печатные технологии»
Применение струйной печати в производстве микросхем
А.С. Сергеев,
студент группы ДТпп-4-1
Развитие современной электроники идет по пути увеличения ее возможностей при стремлении уменьшить стоимость конечного продукта. Это осуществляется путем создания новых технологий производства и миниатюризацией. В то же время вся электроника создана на ограниченном наборе материалов: германии, кремнии, индии - то есть полупроводниковых элементах. Несмотря на большое разнообразие приборов, созданных на их основе, современное производство уже начало подходить к пределу возможностей использования этих материалов. В связи с этим встал вопрос о поиске новых материалов, с новыми свойствами, которые могут дополнить или вообще заменить используемые. Такими материалами стали органические полимеры, обладающие электронной проводимостью. Благодаря большому разнообразию органических соединений есть возможность выбрать именно те, которые будут отвечать требуемым характеристикам.
Применение органических соединений позволит создать устройства с более высокими возможностями, а их широкое внедрение приведет к уменьшению их себестоимости до коммерчески выгодного уровня. Важной задачей на пути внедрения в производство таких материалов является обеспечение ими требуемых характеристик работы. Одной из таких характеристик является способность сохранять свои рабочие свойства неизменными в течении определенного срока или циклов работы. Длительное время работы таких материалов можно обеспечить защитой их от внешних воздействий, например, влаги, воды или поиском материалов, устойчивых к условиям внешней среды. Другой важной характери-
стикой является подвижность зарядов в проводящих полимерах. Она играет важную роль в работе полупроводниковых элементов.
Преимущества органических соединений заключаются в возможности получения гибких электронных приборов, например, телевизоров и солнечных батарей большого формата, малого веса и толщины, которые будут обладать низкой себестоимостью при массовом производстве. Кроме того такие приборы будут обладать высокой энергоэффективностью за счет высокого кпд.
Для создания готового рабочего устройства недостаточно подобрать материалы, из которых оно будет создано. Необходимо также разработать технологию его построения из исходных материалов. Полупроводниковые элементы на основе органических соединений создаются путем нанесения слоев с различными свойствами. Слои могут наноситься, например, методом центрифуги, но на основе этого способа сложно создать массовое производство. Более перспективным выглядит способ нанесения слоев методом струйной печати.
Струйная печать микросхем может осуществляться на специальном струйном принтере. Для такой печати необходимо использовать полимерные чернила, обладающие токопроводящими и полупроводниковыми свойствами, а также особые запечатываемые материалы, которые должны также обладать полупроводниковыми свойствами. Созданные по такой технологии микросхемы пока ненадежны, медлительны, а сама технология еще не отработана. Перспектива данной технологии заключается в том, что она позволит предприятиям не заказывать микросхемы на стороне, а производить их самим, удешевляя производство и увеличивая скорость запуска в производство новой продукции.
Эта технология развивается по трем направлениям: создание самих принтеров, создание чернил, образующих полупроводниковые, проводящие, диэлектрические слои и создание носителей изображения. Для печати микросхем можно использовать обычные серийные принтеры, используя специальное программное обеспечение, но они не дают высокого разрешения так, как их печатающие головки не дают высокой точности позиционирования. Чтобы получить приемлемый результат разработаны специальные прецензионные печатающие устройства. Только они могут обеспечить необходимую точность совмещения слоев.
Для того чтобы обеспечить работу струйных принтеров для печати микросхем, нужно обеспечить достаточную микродесперсность чернил, устойчивость к оседанию и коагуляции, чтобы они не забивали сопла и долго сохраняли свои свойства. Также после нанесения такие композиции должны проявить требуемые характеристики, то есть электрическую проводимость и подвижность зарядов.
Перспективные материалы и технологии
Первое направление - это создание чернил на базе серебра [1]. В них ученые сумели избежать применения коллоидных частиц, взвешенных в растворе.
Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) и ее коллеги из университета Иллинойса разработали и испытали проводящие чернила для печати гибкой электроники на полимерной, тканевой или бумажной подложке.
Новинка представляет собой раствор ацетата серебра и аммиака. При печати жидкие компоненты быстро испаряются, оставляя на поверхности тонкий металлический слой.
Авторы разработки насчитали сразу несколько преимуществ этих чернил перед предшественниками. Во-первых, такой состав может быть приготовлен в считанные минуты, против часов для прежнего варианта со взвесью микроскопических частиц серебра. Во-вторых, после приготовления раствор остается стабильным недели. В-третьих, новые чернила могут беспрепятственно проходить через сопла с диаметром 100 нанометров, что в 10 раз меньше, чем допустимый размер для смесей на основе твердых коллоидных частиц. Соответственно, может быть выше разрешение печати. В-четвертых, новая жидкость обладает низкой вязкостью и может быть применена и в струйном принтере, и в аэрографе. В-пятых, для закрепления таких проводящих дорожек, как и в прежних методах, применяется отжиг, но идет он при меньшей температуре - всего 90 градусов Цельсия. А это расширяет список материалов для подложки, пригодных для работы с новыми чернилами.
Американцы считают, что изобретение пригодится при создании гибких солнечных батарей и антенн, компонентов сенсоров и аккумуляторов, одежды со встроенной электроникой.
Другим перспективным материалом являются углеродные нанотрубки [2]. Этот материал описывается в статье ученых из Университета Райса (Rice University), которая опубликована в одном из последних выпусков журнала ACS Nano. В своей работе ученые сообщают об открытии практического и недорогого способа изготовления микросхем из несортированных углеродных нанотрубок на гибких полимерных подложках (рис. 1), используя для этого обычную струйную печать. Разработка новой методики велась совместно с учеными из Финляндии, Испании и Мексики.
С первого взгляда - для тех, кто в теме, сама по себе проблема, равно как и ее решение, могут показаться надуманными. И действительно, в настоящее время открыто и хорошо изучено свойство нанотрубок выступать в качестве проводников, полупроводников и диэлектриков - полного набора компонентов, необходимых для создания транзисторов, базовых элементов любых микросхем, и прово-
Рис. 1. Микросхема на гибкой полимерной подложке
дящих соединений между ними. Также не является большим откровением перспективность использования для изготовления микросхем принципа струйной печати, где каждый картридж заряжен «чернилами» из нанотрубок с проводящими, полупроводниковыми и изолирующими свойствами.
Главная, и пока толком не разрешенная проблема, стоящая перед разработчиками такого метода производства чипов - в сортировке нанотрубок по типам проводимости. Разные исследователи пытаются использовать для этого магнитный, оптический и другие способы сортировки, однако работы пока далеки от завершения.
Не удивительно, что в настоящее время в мире насчитывается множество научных коллективов, занятых вопросом сортировки углеродных нанотрубок и получающих на это значительные гранты от заинтересованных финансистов.
Так вот, ученым из Университета Райса удалось решить этот вопрос вообще без сортировки нанотрубок. Они обошли эту проблему простым и оригинальным способом, научившись создавать проводники, полупроводники и диэлектрики из несортированной смеси нанотрубок (рис. 2).
Рис. 2. Проводники, полупроводники и диэлектрики из несортированной смеси нанотрубок
Ларчик открылся очень просто - как гласила одна древняя рекламная ремарка: «Просто добавь воды». Для создания компонентов электронной схемы разработчики использовали обычные несортированные нанотрубки, а степень проводимости материала при формировании элементов с различными свойствами обеспечивалась двумя способами: применением «чернил» с разными добавками и количеством печатных слоев.
Для печати ученые использовали две из четырех разработанных и исследованных ими «чернильных смесей», где однослойные углеродные нанотрубки выступали в качестве основных «строительных блоков» (рис. 3).
Р'from рад s"detec,rod^
р' substrate_ Р
Рис. 3. Строение компонентов электронной схемы
Для создания полупроводниковых и изолирующих элементов схемы использовались несортированные нанотрубки, предварительно обработанные полимерообразным полиэтиленгликолем (polyethylene glycol, PEG); печатный слой из «чернил» на основе нано-трубок, обработанных PEG, использовался также в качестве затворного диэлектрика.
Ряд компонентов с токопроводящими свойствами - сток, исток, электроды затвора полевого транзистора, печатались «чернилами» на основе карбоксилированных нанотрубок.
Увы, большинство методик сортировки нанотрубок пока приводит к тому, что после химической обработки с целью изменения свойств и/или удаления нанотрубок с металлическими (проводящими ток) свойствами, также разрушаются нанотрубки с полупроводниковыми свойствами.
С другой стороны, идея придания несортированным углеродным нанотрубкам нетипичных свойств путем химической обработки тоже придумана отнюдь не вчера. Пожалуй, над этим ученые работают не менее упорно, чем над методами сортировки металлических и
полупроводниковых нанотрубок с помощью разных «интеллектуальных» реагентов, включая... ДНК! Однако здесь большинство исследователей зашли в тупик иного рода: даже если и удается на практике создать «углеродные нанотрубочные чернила» для печати полупроводников, транзисторы, полученные таким способом характеризуются «вялыми» свойствами, или, говоря научным языком, мобильность электронов в таких полупроводниках оставляет желать лучшего.
Лишь недавно - в конце 2009 года, исследованиям из компании DuPont совместно с учеными Корнеллского университета (Cornell University) удалось создать полупроводники из обработанных химически несортированных нанотрубок, мобильность электронов в которых оказалась на порядок выше типичных показателей, а теоретические исследования предсказывают возможность улучшения свойств в 100 тысяч раз. Интересно в этой связи отметить, что в своих экспериментах они использовали совершенно иные способы химической обработки, нежели ученые из Университета Райса. Для нейтрализации свойств нанотрубок с металлическими свойствами в процессе «циклоприсое-динения» (cycloaddition), разработанном в лаборатории DuPont, используются молекулы фтора, при этом химический процесс не оказывает разрушающего воздействия на свойства «полупроводниковых» нанотрубок.
Ценность этого примера - в дополнительном подтверждении тезиса о значительном потенциале метода печати электроники с помощью углеродных нанотрубок, даже несортированных. Как выясняется на практике, существует много способов химической обработки несортированных нанотрубок с целью создания подходящих «кирпичиков» для электронных компонентов, и, как знать, возможно в будущем на их основе появится несколько различных техпроцессов с конкурирующими возможностями.
Что касается управления степенью проводимости различных элементов, для этого ученые из Университета Райса применили принцип многопроходной струйной печати. Увеличение количества проходов печатной головки с чернилами из несортированных нанотрубок, при создании каждой линии трассировки схемы, плавно увеличивает проводимость элементов полевого транзистора и линий межэлементного соединения и наоборот.
Ради справедливости надо отметить, что в настоящее время эта технология все же далека от стадии внедрения в массовое производство для выпуска, скажем, процессоров и памяти, ибо физические размеры полевых транзисторов, напечатанных на первом этапе разработки технологии, оказались, мягко говоря, огромными - площадью порядка одного квадратного миллиметра.
Следующим этапом ученые наметили масштабирование технологии до 100 мкм, с целью добиться печати транзисторов с длиной
затвора около 35 мкм и менее. И все же, даже тогда техпроцесс останется на два порядка грубее, нежели применяемые ныне для производства современных процессоров.
В защиту своей методики ученые приводят ряд весомых аргументов. Во-первых, печатная технология является лишь частью обширных исследований в рамках работ над созданием техпроцесса изготовления чипов на гибких полимерных подложках, и уже на этой стадии она отлично подходит для этих целей. Более того: есть ряд приложений, где высокая плотность монтажа электронных компонентов вовсе ни к чему. В качестве примера приводится возможность создания такой простой и полезной вещи, как электронный плащ, способный кроме защиты от дождя собирать и анализировать информацию об окружающей среде с помощью встроенных в него многочисленных датчиков и сенсоров.
Во-вторых, технология является действительно весьма широкодоступной и легкой для повторения. Для повторения опытов по струйной печати схем нанотрубками обычные 60-долларовые домашние принтеры, конечно, не подойдут, но многие современные серийные бизнес-модели струйников будут в самый раз. Возможно, в дальней перспективе именно эта технология могла бы послужить в качестве базы для домашнего кустарного изготовления уникальных чипов в мелких партиях или даже в единичном количестве: задаем в специальной программе требуемые параметры, жмем «PRINT», и через несколько минут вставляем в любимый гаджет мини-чип с заданными свойствами.
Наконец, в-третьих, разработчики считают, что созданная ими технология уже сейчас полностью пригодна в качестве инструмента для проведения дальнейших экспериментов по печати полупроводниковых схем различными типами материалов на самых разнообразных типах подложек, включая гибкие полимеры.
На перспективу стоит отметить, что технологию струйной печати, с помощью химически обработанных углеродных нанотрубок, многие ученые считают весьма перспективной для недорогого и простого производства всевозможной гибкой электроники, а также для массового выпуска сверхдешевых и производительных солнечных батарей.
Продукты, которые уже можно изготовить по технологии струйной печати
Печать солнечных батарей [3]
Недорогая технология струйной печати, которая преобразила рынок домашней и офисной печати, может вскоре произвести такие же трансформации в солнечной энергетике, утверждает источник. По мнению ученых, возможно создание высокопроизводительных, простых и дешевых в производстве тонкопленочных солнечных батарей.
Специалистам университета штата Орегон удалось найти способ и впервые успешно изготовить фотогальванические приборы с применением технологии струйной печати. Ключевым достоинством этой технологии является сокращение потерь сырья на 90% и существенное снижение стоимости изготовления солнечных батарей.
Для изготовления батарей нового типа используется материал халькопирит, включающий медь, индий, галлий и селен. Состав вещества определил его другое название - CIGS (copper, indium, gallium and selenium). К достоинствам CIGS относят очень высокую фотогальваническую эффективность - слой халькопирита толщиной 1-2 мкм имеет примерно такой же показатель, как слой кремния толщиной 50 мкм.
Достигнутая сейчас эффективность примерно равна 5%. Исследователи рассчитывают увеличить ее до 12%, что сделает разработку привлекательной коммерчески. Чтобы повысить эффективность батарей, необходимы дополнительные исследования, но работа может завершиться появлением нового поколения технологии использования солнечной энергии.
Были опробованы различные материалы, в том числе бумага, ткань или пластик.
Фотогальванические массивы на подложке создаются путем химического осаждения из парогазовой фазы (chemical vapor deposition, CDV) при температуре менее 120° C. Подложкой может служить обычная бумага, без специальных покрытий, ткань или пластик. Во время тестов полиэтилентерефталатную (ПЭТФ, ПЭТ) подложку с «напечатанной» батареей сгибали более 1000 раз, и после этого батарея продолжала работать.
Подобная батарея способна генерировать напряжение до 50 В, если планируется использование вне помещений, лист можно ламинировать для защиты от внешних воздействий.
Разработчики заявляют, что процесс производства по этой технологии будет практически таким же дешевым, как струйная печать. В качестве примеров приводятся прототипы батарей, созданных на обычной офисной бумаге, салфетке, кальке и даже газете с уже напечатанным текстом.
Данная технология выглядит весьма жизнеспособной. Предполагается, что она позволит производить батареи с наивысшим соотношением мощности и массы. Это дает в перспективе широчайшее применение подобных батарей в различных устройствах.
Впрочем, коммерческое использование данной технологии в ближайшие годы под вопросом. На текущий момент эффективность преобразования солнечной энергии составляет около 1%. Однако ученые продолжают работать над улучшением характеристик.
Печать RFID-меток
Радиочастотная идентификация (Radio Frequency Identification, RFID) - метод идентификации физического объекта, в соответствие которому поставлена радиометка (тэг (tag) / метка (label) / транспондер (transponder)) - микропроцессорное устройство приема, хранения и передачи идентификационных данных с радиоинтерфейсом. В памяти радиометки хранится ее собственный уникальный номер и пользовательская информация. Цель системы RFID состоит в том, чтобы активизировать передачу данных транспондером (рис. 4). Информация принимается RFID-считывателем и перерабатывается согласно нуждам специфических приложений. Данные, передаваемые меткой, могут служить для идентификации объекта, определения его местоположения (при совместном использовании с GPS), для определения специфики маркированного объекта и т. п.
Рис. 4. Система RFID
Сферы применения RFID можно условно разделить на две большие группы: средства контроля и управления доступом (СКУД) и системы маркировки объектов. RFID в системах контроля доступа применяется относительно давно. Идентификация здесь осуществляется с использованием бесконтактных карт, передающих сведения считывателю по радиоканалу. Системы доступа на основе бесконтактных карт внедрены на многих объектах в России и в мире. Применение RFID для идентификации и контроля объектов - инновационный рынок. В настоящее время технология идентификации и контроля проходит процесс становления, вырабатываются стандарты, исправляются прежние ошибки. Во всем мире реализуются пилотные проекты, анализируются первые практические результаты.
Печать высоко высокопроизводительных транзисторов
Новая техника производства, предложенная исследовательской группой из Японии и основанная на идеологии струйной печати, позволяет делать транзисторы с весьма примечательными характеристиками из тонких пленок одного единственного кристалла. Процесс может проводиться при комнатной температуре, при этом потенциально пригоден для производства электронных компонент большой площади, включая гибкие дисплеи, солнечные ячейки, электронную бумагу и листовые датчики.
Одиночные монокристаллы с малым количеством примесей имеют ключевое значение для развития полупроводниковой микроэлектроники. На данный момент высокопроизводительные устройства обязательно содержат в себе такие монокристаллические компоненты. Различные вариации методики струйной печати, предполагающие нанесения компонент из «полупроводниковой краски» на подложку, выглядят весьма перспективными для создания гибких электронных компонент большой площади. Одна из проблем этой группы методов заключается в том, что распыляемые полупроводниковые материалы обычно имеют не лучшие кристаллические свойства. Это снижает подвижность зарядов в «напечатанной» полупроводниковой структуре и, в конечном итоге, ухудшает производительность устройства.
Пытаясь найти решение этой проблемы, группа ученых из National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, Япония) предложили новый процесс, схожий со струйной печатью, который совмещает в себе не только нанесение полупроводниковых чернил (полупроводника в специальном растворителе) на поверхность, но и кристаллизацию этих чернил при помощи специальной жидкости («антирастворителя»). Методика позволяет создавать тонкие пленки монокристалла или поликристалла.
Достигнутые результаты намного обошли эксперименты предшественников. До сих пор ученые сталкивались с трудностями, пытаясь производить равномерные полупроводниковые пленки прямо на поверхности подложки, в частности, с эффектом самокристаллизации и возникновением так называемых «кофейных колец». Последнее явление обусловлено движением мельчайших частиц полупроводника в растворителе во время испарения последнего.
Для реализации разработанной методики, команда ученых использовала аппараты струйной печати с двойными печатающими головками, что позволяло распылять капли объемом 60 пл с частотой 500 Гц. Сначала на поверхность наносился «антирастворитель» (роль которого исполнял безвредный диметилформамид), а уже на него «печатались» полупроводниковые чернила, содержащие органический полу-
проводник C8BTBT. После этого происходило естественное смешивание двух разных «чернил».
Используя оптический микроскоп, исследователи наблюдали на поверхности крошечные плавающие в растворителе объекты, которые начинали кристаллизоваться. Каждый такой объект являлся основой для будущей кристаллизации, формируя в конечном итоге слои полупроводника толщиной 20-300 нм, плотно прилегающие к подложке.
Измерения показали, что подвижность зарядов в полученных таким образом транзисторах, в 1,6 раза выше своеобразного «порога» в 10 см2/Вс, определяющего устройства с высокой подвижностью. Кроме того, не менее впечатляющим оказалось и отношение тока в открытом и закрытом состоянии транзистора - около 105-107.
В дальнейшем ученые планируют работать в направлении оптимизации своего оборудования. Следующим шагом они хотят адаптировать технику к печати металлических проводов.
Библиографический список
1. http://www.mem brana.ru/search?q=%EF%E5%F7%E0% F 2 % F C + % E C % E 8 % E A % F 0 % E E % F 1 % F 5 % E 5 % E C & c x = 009724753791916455779%3A3apftvgllto&cof = FORID%3A11&ie = windows-1251
2.http://www.modlabs.net/articles/nanotrubki-strujnaja-pechat-elektronika-budushhego
3. http://stabzone.ru/newtech/515-novye-tehnologii-pozvolyat-pechatat-solnechnye-batarei-na-bumage.html
4. http://www. ixbt.com/news/hard/index.shtml?05/78/80
5. http://publish.ruprint.ru/stories/5/226_1.php
6. http://elvisti.com/node/24038
