Разряд вместо краски

Физики МФТИ научились печатать микроэлектронные структуры без чернил и растворителей — и готовы запустить технологию в серию.

Чтобы напечатать электронную схему, не нужны чернила — этот вывод звучит как противоречие в терминах, однако именно к нему пришла группа исследователей Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ. Владислав Борисов, Виктор Иванов и их коллеги — эксперты Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», созданного в 2025 году под координацией МФТИ совместно с ИНМЭ РАН и ИРЭ им. Котельникова РАН специально для того, чтобы фундаментальные разработки в области новых функциональных материалов доходили до промышленного применения, — разработали метод, в котором весь цикл от синтеза материала до готовой проводящей структуры идет без единой капли жидкости ¹.

Печатная электроника привлекает интерес инвесторов именно тем, что обещает уйти от тяжелого наследия фотолитографии — многостадийного процесса с чистыми комнатами, вакуумными установками и агрессивной химией. Все известные аддитивные методы опираются на жидкость: взвесь металлических наночастиц в растворителе или растворы прекурсоров, которые превращаются в нужный материал при нагреве. После печати — сушка, высокотемпературный обжиг, спекание. И даже после всего этого в структуре остаются примеси от разложения полимерных добавок, которые ухудшают проводимость и прочность готового изделия.

Команда МФТИ решила убрать жидкость из процесса полностью. «Отказ от традиционных чернил и переход к манипулированию сухими наночастицами казался сначала неочевидным решением», — говорит Владислав Борисов. Неочевидным — потому что синтез наночастиц через электрический газовый разряд дает на выходе не аккуратные сферы, а агломераты: слипшиеся комки произвольной формы. При осаждении на подложку они образуют рыхлый пористый слой с низкой проводимостью — для микроэлектроники это неприемлемо. Преодоление именно этого барьера и составляет техническое ядро разработки.

Решение нашлось в лазерной обработке прямо на лету. В газовый тракт встроен оптимизатор: каждый агломерат, летящий в потоке аргона, попадает под лазерный импульс, кратковременно оплавляется и под действием поверхностного натяжения принимает сферическую форму за доли микросекунд. Уже сферические частицы поступают в сопло, где фокусирующий газ сжимает струю до нужного диаметра, и пучок осаждается на подложку в вакуумной камере при давлении около 40 миллибар. Одновременно второй лазер спекает частицы послойно — каждый новый слой сплавляется прежде, чем поверх него ляжет следующий.

Послойность здесь принципиальна. При попытке спечь толстый накопленный слой целиком верхние частицы экранируют нижние от лазера, и структура получается неоднородной. Послойный подход дает монолитный результат: удельное сопротивление серебряных дорожек всего в 2,2 раза больше значения для монокристаллического серебра — серьезный показатель для аддитивной технологии, сравнимый с методами, требующими куда более сложной обработки. Ширина дорожки — порядка 30–40 мкм, примерно половина толщины человеческого волоса.

В установке последовательно задействованы четыре процесса: генерация наночастиц в импульсном разряде, лазерная модификация их формы, фокусировка пучка и спекание. Разрядная камера выдает около 600 импульсов в секунду при напряжении 4 кВ; ток в каждом разряде достигает 1 000 А и протекает через плазменные микроканалы на поверхности электрода, где микровыступы буквально взрываются, выбрасывая капли расплавленного металла, конденсирующиеся в частицы размером 5–15 нм.

За пределами основного режима открываются неожиданные применения. Если отключить финальное спекание, осажденные частицы образуют слой, который легко стирается, — и это не дефект, а инструмент для поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии. Наночастицы золота или серебра в таком слое усиливают сигнал рассеяния на несколько порядков, позволяя обнаруживать отдельные молекулы. Классические серебряные SERS-подложки окисляются за несколько часов; здесь структура формируется прямо перед измерением, на самом анализируемом объекте, что открывает практические перспективы в медицинской экспресс-диагностике и криминалистике. Третий режим, с необработанными агломератами, работает на газовые сенсоры: пористая структура с огромной удельной поверхностью здесь — именно то, что нужно.

Область применения разработки — там, где фотолитография избыточна: исследовательские лаборатории, прототипирование, небольшие серии специализированных компонентов. Пассивные элементы микросхем, электроды, каталитические покрытия, плазмонные структуры для оптоэлектроники — всё это на одной установке, без смены оборудования и без жидкостей на любом из этапов. Опытный образец прошел государственные приемочные испытания, и команда готовится к серийному производству — во многом благодаря тому, что НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» изначально строился как структура, где путь от лабораторного результата до промышленного изделия не случайность, а цель.

Маргарита Тимофеева
Фото пресс-службы МФТИ

¹ Работа опубликована в журнале Physical and Chemical Processes in Atomic Systems (DOI: 10.1134/S0036024425702553).