3D-Печать Кремниевой Электроники С Наноразрешением

3D-печать кремниевой электроники с наноразрешением

Утонченные структуры, напечатанные учеными Университета Райса под микроскопом.

В процессе спекания они превращаются либо в стекло, либо в кристобалит. Источник: Лаборатория наноматериалов, наномеханики и наноустройств Университета Райса.

Инженеры Университета Райса демонстрируют возможность 3D-печати стеклянных и кристаллических наноструктур для создания электронных или фотонных устройств с использованием восходящей технологии.

Ученые-материаловеды из Университета Райса создают наноструктуры из кремния с помощью сложного 3D-принтера, демонстрируя метод создания микроэлектроники, механических и фотонных устройств снизу вверх.

Теперь возможно плести замысловатые микроскопические структуры из кристаллов или стекла.

Однако 3D-принтер также может печатать изделия, позволяющие легировать и настраивать кристаллические структуры для различных целей.

Соответствующее исследование, проведенное Цзюнь Лу, профессором материаловедения и наноинженерии Инженерной школы Джорджа Р.

Брауна, было опубликовано в журнале Nature Materials. Современная электронная промышленность построена на кремнии — основной полупроводниковой подложке, которая десятилетиями использовалась для создания микропроцессоров.

Результаты исследования преодолевают ограничения технологии производства сверху вниз, переворачивая весь процесс с ног на голову с помощью 3D-принтера.

«Очень сложно создавать сложные трехмерные геометрические структуры, используя традиционные методы фотолитографии», — говорит Лу.
«Кроме того, он неэкологичен, поскольку процесс требует использования большого количества химикатов и является многостадийным.
И даже несмотря на все эти технологические усилия, некоторые структуры невозможно создать».
«В принципе, мы можем печатать произвольные 3D-формы, которые будут играть важную роль в создании экзотических фотонных устройств».
- добавил он.

В лаборатории, используя процесс двухфотонной полимеризации, они могут печатать структуры с линиями шириной всего в несколько сотен нанометров, что меньше длины волны света.

«Обычная полимеризация использует полимеры и фотоинициаторы, молекулы, которые поглощают свет для генерации свободных радикалов», — так объясняет процесс, в котором используется УФ-свет для отверждения материалов в 3D-печати и стоматологии, выпускник Университета Райса и соавтор Бойю Джан.
«В нашем процессе фотоинициаторы поглощают два фотона одновременно, что требует много энергии», — говорит он.
«Всего лишь очень небольшой пик этой энергии вызывает полимеризацию, которая в конечном итоге охватывает крошечную область, позволяя нам преодолеть дифракционный предел света».

Для реализации такой технологии печати специалистам лаборатории пришлось разработать уникальные чернила.

Чжан и его коллега Сивэнь Вэнь создали смолы, содержащие наносферы кремнезема, легированные полиэтиленгликолем, что придает им свойство растворимости.

После печати структура отверждается посредством высокотемпературного спекания, в результате которого из продукта удаляются все полимеры, оставляя аморфное стекло или поликристаллический кристобалит.

«При нагревании материал проходит стадии превращения стекло в кристалл, и чем выше температура, тем более упорядоченными становятся кристаллы».
- говорит Лу.

Лаборатория также продемонстрировала легирование материала различными редкими солями, чтобы сделать конечные продукты фотолюминесцентными — свойство, необходимое для оптических приложений.

Следующая цель — улучшить процесс реализации 3D-печати с разрешением менее 10 нанометров.

Соавторами работы являются научный сотрудник Университета Райса Хуа Го, ученые-исследователи Гуаньхуэй Гао и Сянь Чжан, выпускники Университета Райса Юшунь Чжао, Ции Фань и Кристин Нгуен; Выпускница Университета Цинхуа Фань Е, выпускница Хьюстонского университета Шуай Юэ, сейчас работающая в Китайской академии наук; и Цзиминь Бао, профессор электротехники и вычислительной техники Хьюстонского университета.

В исследовании также помогали выпускник Университета Райса Вейпэн Ван, ныне профессор Университета Цинхуа; Джейкоб Робинсон, доцент кафедры электротехники, компьютеров и биоинженерии, и Пуликель Аджаян, заведующий кафедрой материаловедения и наноинженерии Университета Райса.