Пластиковая электроника

Современные чипы делают с помощью фотолитографии. Это высокоточное производство весьма дорогостоящее. (Современный завод по производству чипов обходится в полтора-два миллиарда долларов.) Сначала кремниевая «вафля» покрывается слоем полимера, который является фоторезистентным. Затем на него накладывается «маска», являющаяся матрицей первого слоя всей будущей цепи. Ультрафиолетовые лучи «вырезают» кусочки фоторезистентного слоя, и все лишнее затем удаляется с помощью растворителя (что делает производство экологически крайне неблагоприятным). После обмыва «вафли» водой она помещается в печь, чтобы оставшийся резистентный материал запекся, после чего на него наносится слой проводящего материала.

Для нанесения следующих слоев микросхемы все вновь повторяется по многу раз. Соединения между элементами микросхем («провода») имеют сечение не более одной десятой микрометра
(10–4 мм). Основные расходы в производстве чипов связаны именно с роботами, поскольку люди в таких масштабах работать не могут. Вот почему завод компании «IBM», построенный в штате Нью-Йорк, обошелся в свое время флагману микроэлектронной индустрии в три миллиарда долларов!

Уже давно инженеры поняли, что гораздо дешевле и удобнее не «вырезать» микросхемы, а «печатать» их, имея в распоряжении проводящие ток полимеры. При этом решается чисто химическая проблема, поскольку большинство фоторезистентных материалов и органических растворителей просто-напросто растворяет электропроводящие полимеры.

«Печатание» схем позволяет преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что из-за физической хрупкости кремниевые чипы не могут быть больше нескольких квадратных сантиметров, что ограничивает «построение» на них электронных цепей. Полимерные же цепи могут простираться на метры, что неизмеримо повышает их возможности. Не надо также с огромной точностью подгонять «маски» – достаточно всего лишь «набрызгать» нужные материалы и подать готовую схему под пресс. А благодаря тому, что электронные материалы пластичны, их можно сворачивать в рулоны и размещать на поверхностях самой экзотической формы.

Оставалось лишь усовершенствовать надежный и достаточно точный способ нанесения электронных материалов. Способ в общем-то уже известный и опробованный. Речь идет о струйном принтере. Так мы в этом случае переводим английское слово jet («джет»). На самом деле это может быть и реактивная струя, и выхлоп мотора, и чернила, выпускаемые при опасности осьминогом. Так или иначе, речь идет о достаточно небольшом сопле, из которого подается строго дозированная порция (доза) жидкости или сыпучего материала. Все это уже очень хорошо опробовано в самых разных отраслях промышленности.

Несколько лет назад было сделано усовершенствование, которое позволило резко повысить точность дозирования джет-компонентов: точность джет-дозатора была увеличена, как минимум, в
10 раз. Капля имела диаметр всего лишь 5 микрон. Основывалось это на принципе, давно уже известном в химии.

Мы знаем, что одни поверхности, например тот же тефлон, гидрофобные, а другие – гидрофильные. На гидрофобных поверхностях вода собирается в компактную каплю, а на гидрофильных растекается тончайшим слоем, занимая большую площадь.

С использованием этого принципа на поверхность наносится рисунок будущих полимерных транзисторов (цифровых переключателей микрочипов). Для этого поверхность стекла покрывается водоотталкивающим (гидрофобным) полиимидом, после чего в его толще фотолитографически вырезаются до поверхности стекла лунки, в которых и идет «печатание» электродов.

Сначала в лунки заливаются электроды в виде водорастворимых полимерных электропроводных «чернил» (по терминологии из производства струйных принтеров). Затем электроды в полиимиде обливаются сплошным слоем полупроводящего пластика. Чтобы полупроводник имел тонкий равномерный слой, растекание обеспечивается вращением блока со скоростью 5000 оборотов в минуту. Толщина слоя полупроводника при этом составляет не более 30 нанометров. Далее остается только нанести изолирующий пластиковый слой с использованием все того же вращения и сделать заключительный «мазок» в виде капли, которая представляет собой третий (базовый) электрод.

Пластиковые транзисторы будут прежде всего использоваться для создания легких и гибких дисплеев компьютеров и экранов телевизоров. Транзисторы могут налагаться друг на друга, образуя вертикальные стопки (аналогично углеродным нанотрубочкам). Возможно также производство светодиодов, слои которых могут налагаться на слой полимерных транзисторов.

Сегодняшние струйные принтеры уже позволяют «печатать» пластиковые транзисторы. Их только необходимо снабдить множественными соплами, каждое из которых подает свой раствор. Необходимо также уменьшить диаметр сопла, поскольку, как уже говорилось выше, для производства пластиковых транзисторов требуется капля диаметром не более 5 микрон, а у нынешних принтеров она в 6 раз больше.

Необходимо также использовать полимерную подложку, которая бы не растворялась под действием органического растворителя. Есть требования и к процессу растекания жидкостей. Каждый любитель кофе знает, что капля напитка, растекаясь и засыхая, образует пятно, которое светлее (тоньше) в центре и темнее (толще) на периферии. Для микроэлектроники такие «разночтения» неприемлемы.

Вот почему ученые разрабатывают «сухую печать». Для этого предложена подложка из поливинилкарбазола, в котором «чернила» сами диффундируют в толщу материала. В качестве демонстрации и контроля производства поливинилкарбазол «красят» синим флюоресцентным красителем и с помощью резинового штемпеля наносят сначала полимерный материал с красным красителем, а затем с зеленым. При этом на поверхности пластика появляются разноцветные точки. После наложения такого листа на микроэлектроды получается дисплей с транзисторами.

Пока рабочая частота подобных дисплеев не превышает сотни килогерц, что несравнимо с гигагерцами старых кремниевых чипов. Зато электронные цепи получаются очень тонкими, что делает их прозрачными. Такие цепи можно наносить на любые поверхности, причем самой сложной и замысловатой конфигурации, что делает полимерную электронику крайне привлекательной.

Материал подготовил И.Э.Лалаянц
(New Scientist, 2002, № 2365, р. 34)