В последнее время учёные, работающие в полупроводниковой промышленности, прилагают всё больше усилий для адаптации технологий органических полупроводниковых систем к современным нуждам электроники. Это касается жидкокристаллических дисплеев, печатных плат, сенсоров и так далее.
В отличие от традиционных методов травления, применяемых в «силиконовой» микроэлектронике, органические полупроводники крайне привлекательны тем, что могут быть попросту напечатаны на подложке – стеклянной, пластмассовой или даже бумажной. Наибольшие перспективы для печатной полупроводниковой отрасли представляет производство различных гибких микросхем и дисплеев на основе органических светодиодов.
Вместе с тем, технологии микропечати пока еще далеки от совершенства и значительно уступают полупроводниковым системам на основе кремния – у таких схем высокое энергопотребление, а производительность органических микрочипов очень низка. Попытки улучшить ситуацию до сих пор приводили либо к значительному удорожанию процесса, либо к увеличению температуры производства – критического параметра для любой органики. Критическими для органических полупроводниковых сиcтем являются температуры порядка 150 0С.
Однако, похоже, что эту трудность удалось преодолеть.
Группа ученых из Токийского университета и их коллеги из штутгартского Института твёрдого тела имени Макса Планка показали возможность использования микропечати для нанесения проводящих контактов на поверхность полупроводниковых тонкопленочных транзисторов (thin film transistor - TFT) – основы индустрии жидкокристаллических дисплеев.
В струйных принтерах используется матрица печатающая жидкими красителями. Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих типов подачи красителя:
Непрерывная подача (Continuous Ink Jet)
В технической реализации такой печатающей головки в сопло под давлением подается краситель, который на выходе из сопла разбивается на последовательность микро капель (объемом нескольких десятков пиколитров), которым дополнительно сообщается электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли происходит расположенным на сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая волна (частотой в десятки килогерц). Отклонение потока капель производится электростатической отклоняющей системой (дифлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на запечатываемую поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило, возвращаются обратно в основной резервуар с красителем.
Подача по требованию (Drop-on-demand)
Подача красителя из сопла печатающей головки происходит только тогда, когда краситель действительно надо нанести на соответствующую соплу область запечатываемой поверхности. Именно этот способ подачи красителя и получил самое широкое распространение в современных струйных принтерах.На данный момент существует две технические реализации данного способа подачи красителя:
Пьезоэлектрическая (Piezoelectric Ink Jet). Над соплом расположен пьезокристалл с диафрагмой. Когда на пьезоэлемент подаётся электрический ток он изгибается и тянет за собой диафрагму; в результате формируется капля, которая впоследствии выталкивается на бумагу. Широкое распространение получила в принтерах компании Epson. Технология позволяет изменять размер капли.
Термическая (Thermal Ink Jet), также называемая BubbleJet Разработчик - компания Canon. Принцип был разработан в конце 70-х годов. В сопле расположен микроскопический нагревательный элемент, который при прохождении электрического тока мгновенно нагревается до температуры около 500 °C, при нагревании в чернилах образуются газовые пузырьки (англ. bubbles, отсюда и название технологии), которые выталкивают капли жидкости из сопла на носитель.
Микропечать энергетически менее затратна, чем альтернативные технологии, и подразумевает значительно меньшие потери материалов и рабочих веществ в ходе процесса. Кроме того, она привлекательна еще и с позиций экологической чистоты – в отличие от не самых полезных для окружающей среды методик травления кремния.
Не так давно учёные и инженеры довели технологии микропечати до необходимого уровня совершенства и научились применять их при нанесении светофильтров для жидкокристаллических мониторов.
Как утверждает команда разработчиков нового метода, благодаря их методике микропечать в скором времени доберется и до микропроцессоров.
Впрочем, не стоит думать, что в будущем процессоры персональных компьютеров станут органическими. Технологии производства кремниевых микрочипов позволяют работать в нанометровом масштабе, в то время как лучшие микропринтеры сейчас печатают с разрешением в 30–50 микрон. Это ограничение обусловлено поверхностным натяжением большинства современных чернил, не позволяющих добиться объема капли менее 1 пиколитра (это объём кубика со стороной 0,01 мм). Транзисторы для ЖК-мониторов подразумевают размерность порядка 1 микрона. Именно на этот диапазон разрешения печати и настроились создатели фемтолитровой печати.
Когда говорят, что новая фабрика работает по технологии 65 микрон или 32 нанометра, подразумевают прежде всего размер наименьшего функционального элемента микрочипа или интегральной микросхемы, достигаемый в технических условиях производства.
Переход к новым, более совершенным нанометровым технологиям заставляет производителей комбинировать приемы фотолитографического маскирования кремниевых монокристаллов, предназначенных для травления, использовать методики комплексного жидкостного и газофазного травления, а так же прибегать к многим другим ухищрениям, часть из которых как правило до самой «смерти» конкретной технологии остается know how разработчика.
Японские изобретатели добились такого размера капли с помощью большого напряжения, приложенного к печатающей головке принтера. В результате микровзрыва чернил на выходе из сопла и образуются микроскопические капельки. Чернилами же являются наночастицы серебра размером 2–3 нм, взвешенные в органическом растворителе, безопасном для органического же полупроводникового слоя.
Незначительные количества этого растворителя определяют и невысокую – около 130 0С – температуру последующей после нанесения слоя термической обработки.
В ходе такой обработки растворители и поверхностно активные вещества, стабилизирующие наночастицы, улетучиваются, а сами частички серебра спекаются в плотные металлические дорожки. Благодаря этому спеканию электрическое сопротивление получающейся дорожки оказывается лишь немногим больше, чем у объёмного материала.
К основным параметрам учёные относят длину канала тонкопленочного транзистора, толщину изолирующего затвора транзистора и паразитную ёмкость контактов.
Длина канала снизилась до 1 микрона, при этом канал обладает низким контактным сопротивлением. Толщину изолирующего затвора удалось уменьшить до нескольких нанометров, благодаря чему полученные транзисторы не требуют большого операционного напряжения. А паразитная ёмкость серебряных контактов, благодаря их крохотным размерам, упала до нескольких пикофарад.
При этом миниатюрные печатные транзисторы сохраняют свою гибкость, низкую стоимость и технологичность процесса получения, благодаря которой в скором времени их действительно можно будет печатать рулонами. Правда, экспериментальная установка японских специалистов слишком миниатюрна для этих целей.
