РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ ПЕЧАТНОГО И ЛАЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В первом разделе отчета представлены результаты работ по разработке метода интеграции кремниевых чипов и печатных компонентов с использованием межсоединений из наночастиц (Ag, Au, SnO₂, ZnO, Cu, Pt), формируемых с использованием печатного и лазерного оборудования. В первом разделе отчета представлен анализ и сравнение трех технологий создания межсоединений (методов интеграции): wire bonding, flip chip и through-silicon via. Установлено, что аддитивные технологии, такие как аэрозольная печать, упрощают процесс интеграции, снижая затраты и делая его более экологичным. В работе исследована новая технология электростатического осаждения аэрозольных наночастиц Au через отверстия 0,28 мм в BGA-трафарете для создания вертикальных межсоединений шириной от 25 до 35 мкм и аспектным отношением сторон около 1. Кроме того, проведены исследования осаждения наночастиц различных материалов (Ag, SnO₂, ZnO), а также показана зависимость диффузии пучка наночастиц от их заряда. Установлено, что повышение напряженности электрического поля и последующее спекание наночастиц способствуют высокой механической прочности и проводимости межсоединений. Проанализированы параметры лазерного спекания наночастиц Cu и Pt: длина волны (1054 нм, 527 нм), мощность (от 15 мВт до 2 Вт), скорость (от 70 мкм/с до 70 мм/с), частота следования импульсов (от 0,5 до 10 кГц). Спеченные структуры обладают удельным сопротивлением, от 42 до 71 раза превышающим объемные материалы. Таким образом, проведенные исследования расширяют возможности печати проводящих структур из наночастиц различных материалов с применением методов электростатической фокусировки и лазерного спекания. Это открывает перспективы для разработки более сложных объектов в сфере микро- и наноэлектроники. Во втором разделе отчета представлены результаты разработки технологических подходов по созданию однородных слоев из квантовых точек PbS, наночастиц CuO и медных нанопроволок. Слои формировались на кремниевых, керамических и кварцевых подложках, соответственно. Разработанные подходы предназначены для изготовления фотодетекторов, газовых и температурных сенсоров, а также прозрачных электродов. Для слоев из PbS размером 5×5 мм и толщиной от 500 до 700 нм, формируемых на кремниевых подложках, оптимизирован метод аэрозольной печати с использованием наночернил на основе коллоидных квантовых точек (концентрация от 50 до 200 мг/мл, размер точек от 7,7 до 9,5 нм). Установлено, что агломерация квантовых точек происходит при величинах расхода аэрозоля менее 4 н. мл/мин или более 50 н. мл/мин из-за изменения концентрации н-бутилового спирта в составе аэрозольных микрокапель. Полученные слои PbS обладают высокой степенью однородности, что делает их перспективным материалом для создания инфракрасных фотодетекторов. Для нанесения полупроводникового газочувствительного слоя из наночастиц CuO на керамические подложки был использован метод сухой аэрозольной печати, при котором используются агломераты наночастиц размером 98±9 нм. Газочувствительный слой (высотой менее 5 мкм, шириной ~150 мкм, длиной от 5 до 7 мм) наносился между измерительными электродами и подогревался платиновым микронагревателем. Газовый сенсор на его основе показал отклик ~20 % на аммиак (28 ppm) и ~40 % на угарный газ (17 ppm), что подтверждает перспективность метода сухой аэрозольной печати для создания газочувствительных слоев. В других экспериментах прозрачные проводящие слои из медных нанопроволок создавались методами гидротермального синтеза и центрифугирования (spin coating). Оптимизация параметров синтеза (температура плюс 120 °C, 9 часов) позволила получить нанопроволоки длиной ~90 мкм и диаметром ~60 нм. Слои из медных нанопроволок характеризовались сопротивлением 30 Ом/квадрат и светопропусканием более 90 % (от 400 до 2500 нм). Для увеличения проводимости слоя разработан уникальный метод удаления оксидной оболочки с поверхности нанопроволок с помощью муравьиной кислоты, который не разрушает структуру слоя и не снижает его прозрачность. Таким образом, полученные медные нанопроволоки и слои на их основе являются перспективным материалом для использования в фотодетекторах, солнечных элементах, дисплеях и сенсорных экранах, где важны одновременно высокая проводимость и оптическая прозрачность. По результатам третьего этапа подготовлены 4 (четыре) научные статьи, две из которых опубликованы, одна принята к публикации и одна находится на этапе рецензирования. Статьи направлены в журналы Q₁ и Q₂ квартилей, индексируемые в Scopus и WoS: Journal of Aerosol Science (ISSN: 0021-8502, Impact Factor = 3.9); Nano-Structures and Nano-Objects (ISSN: 2352-507X, CiteScore = 9.2); Applied Science and Engineering Progress (ISSN: 2672-9156, CiteScore = 4.7); International Journal of Engineering, Transactions A: Basics (ISSN: 1728-1431, CiteScore = 3.7) со следующими названиями: а) Three-dimensional aerosol printing by enlarged, optimized and charged nanoparticles // Journal of Aerosol Science. 2024. (184). С. 106515. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2024.106515 б) Synthesis of copper nanowires and facile fabrication of nanostructured conductors with high transparency in 400–2500 nm spectral range // Nano-Structures & Nano-Objects. 2025. (41). C. 101429. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101429 в) Plasmon Properties of Polydisperse Aluminum Nanoparticles Produced in Spark Discharge (принята, на стадии подготовки к публикации в журнале Applied Science and Engineering Progress); г) Multi-electrode spark discharge generator of composite nanoparticles. https://doi.org/10.2139/ssrn.4997609 (на рецензии в журнале International Journal of Engineering, Transactions A: Basics); По результатам работ в рамках третьего этапа также подготовлено 2 (две) патентные заявки на следующие изобретения: 1. «Аэрозольный принтер с зарядкой и электростатической фокусировкой оптимизированных частиц» (Рег. № 2024135185 от 25.11.2024 г.); 2. «Трехэлектродный генератор искрового разряда» (Рег. № 2024137720 от 16.12.2024 г.). В рамках проекта 16 декабря 2024 года член научного коллектива, Денис Владимирович Корнюшин, успешно защитил кандидатскую диссертацию на тему «Синтез наночастиц в импульсном газовом разряде и управление их агломерацией для применения в сенсорике». Защита проходила в диссертационном совете ФЭФМ.1.3.8.007 в Московском физико-техническом институте (МФТИ, Физтех). А также поданы две заявки на РИД: РИД №1 Регистрационный номер: 2024135185; Наименование: Аэрозольный принтер с зарядкой и электростатической фокусировкой оптимизированных частиц; Вид РИД: Патент, изобретение; Дата подачи заявки: 25.11.2024 г. РИД №2 Регистрационный номер: 2024137720; Наименование: Трехэлектродный генератор искрового разряда; Вид РИД: Патент, изобретение; Дата подачи заявки: 16.12.2024 г.