Epson opracował praktyczną metodę wytwarzania ciekłego krzemu, która może zrewolucjonizować sposób wytwarzania układów scalonych. Materiał ten można z łatwością natryskiwać lub nakładać obrotowo na podłoże, aby uzyskać cienką warstwę nadającą się do konwencjonalnego przetwarzania.
Co ważniejsze, można go wykorzystać w drukarkach atramentowych, aby bezpośrednio drukować tranzystory z wykorzystaniem technologii mikrocieczy. Nowy materiał krzemowy został opracowany wspólnie z JSR Corporation - czołową firmą chemiczną mającą siedzibę w Tokio - w ramach badań zleconych przez japońską Organizację ds. Rozwoju Nowych Źródeł Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO).
Choć krzem składa się na jedną czwartą skorupy ziemskiej i jest podstawowym surowcem dla branży półprzewodnikowej, materiałoznawcy od dawna starają się zastąpić go czymś tańszym i łatwiejszym w produkcji. Wyodrębnianie krzemu i rafinowanie go do ultraczystej postaci niezbędnej do produkcji półprzewodników jest bardzo czasochłonne i kosztowne. Ponadto znaczna część krzemu jest tracona wskutek cięcia, szlifowania, polerowania, trawienia i czyszczenia w skomplikowanym procesie wytwarzania układów scalonych.
Wielu naukowców z całego świata skupia się na opracowaniu materiałów, które mogłyby zastąpić krzem, natomiast zespół pracowników firmy Epson przyjął inne podejście. Zamiast szukać jakiegoś egzotycznego zamiennika, Tatsuya Shimoda - badacz z działu badawczo-rozwojowego firmy Epson - wpadł na pomysł wytworzenia nowego związku krzemowego przy użyciu nowatorskiego rozpuszczalnika, który umożliwiłby uzyskanie roztworu z normalnie stałego materiału.
Shimoda i inni pracownicy firmy Epson uznali, że krzem w postaci ciekłej można by nakładać tak samo jak atrament, za pomocą zmodyfikowanych głowic drukarek atramentowych. Taka metoda ograniczałaby straty, pozwalając nałożyć dokładnie tyle krzemu, ile potrzeba, podczas produkcji tranzystorów - podstawowych elementów przełączających, które sterują przepływem elektronów w układzie scalonym.
"Był to oryginalny pomysł, wypływający z przekonania, że krzem jest najważniejszym półprzewodnikiem" - mówi Masahiro Furusawa, kierownik Centrum Badawczego Platform Technologicznych w firmie Epson, który przystąpił do zespołu na początku projektu osiem lat temu. "Większość naukowców uznała to podejście za straconą sprawę. Uważali, że rozpuszczalnik użyty do uzyskania roztworu krzemowego zanieczyściłby go i uniemożliwił jego praktyczne wykorzystanie".
Jeśli jednak badacze z firmy Epson mieli odnieść sukces, musieli wykorzystać właśnie taki proces syntezy chemicznej. Jedyną alternatywą było użycie nagrzewania, co nie wchodziło w grę, ponieważ krzem topi się w temperaturze 1414 oC.
Z tej przyczyny inżynierowie z firmy Epson zaprosili do współpracy chemików z JSR. Po wielu próbach i błędach zespół skupił się na związku krzemu i wodoru znanym jako cyklopentasilan, który składa się z pięciu atomów krzemu i dziesięciu atomów wodoru tworzących zamknięty pierścień. "Choć ten związek krzemu jest płynny w temperaturze pokojowej, a zatem wydawał się idealny do naszych celów" - mówi Furusawa. "Wyparowuje podczas podgrzewania, zanim zdąży zmienić się w warstwę krzemową, i nie zostawia niczego na podłożu".
Szukając innego rozwiązania problemu, badacze postanowili wykorzystać wrażliwość cyklopentasilanu na światło ultrafioletowe. Poprzez napromieniowywanie materiału światłem UV udało się rozerwać pierścienie atomów, które następnie przekształciły się w długie łańcuchy polimerowe i przybrały cechy lepkiego oleju lub ciała stałego. To sprawiło, że były znacznie mniej podatne na wyparowywanie. "Taki materiał polikrzemowy w rzeczywistości był znany już od dawna" - mówi Furusawa. "Jednak naukowcy zwykle go ignorowali, ponieważ powszechnie sądzono, że nie da się go oczyścić". Po eksperymentach z napromieniowywaniem badaczom udało się jednak uzyskać roztwór, który po dalszej obróbce i nagrzewaniu przekształcał się w czystą, amorficzną warstwę krzemową. W rankingu materiałów półprzewodnikowych amorficzny krzem leży w połowie drogi między mało wydajnymi materiałami organicznymi a bardzo wydajnym polikrzemem. Aby ulepszyć strukturę amorficznego krzemu, zespół oczyścił go jeszcze dokładniej z wykorzystaniem silnej wiązki laserowej. Proces ten zmienia kompozycję krystaliczną i przyspiesza przepływ elektronów. W rezultacie otrzymano płynny materiał o charakterystyce polikrzemu i pierwszą wydajną warstwę krzemową utworzoną za pomocą syntezy chemicznej.
"Niepotrzebna jest wysokotemperaturowa obróbka metalurgiczna" - mówi Furusuwa, choć szybko dodaje, że wytwarzanie warstwy krzemowej wiąże się z pewnymi problemami. Potrzebne jest dalsze usprawnienie i ujednolicenie procesu produkcyjnego. "Musimy również podejmować pewne środki ostrożności, aby nie doszło do zanieczyszczenia tlenem. Musimy też mieć pewność, że usunęliśmy z warstwy cały tlen, ponieważ nawet najmniejsza jego ilość psuje całą partię".
Oprócz względnie niskiego kosztu produkcji szczególnie ekscytująca jest możliwość nanoszenia płynnego krzemu z wykorzystaniem technologii druku atramentowego, co Epson określa procesem mikrocieczy. Bezpośrednie nanoszenie wzorców eliminuje straty materiału, a ponadto nie wymaga litografii ani kosztownych masek używanych podczas produkcji konwencjonalnych tranzystorów i bardziej złożonych układów elektronicznych. To z kolei zmniejsza liczbę etapów obróbki, przyspiesza wytwarzanie i pozwala wyeliminować niektóre typy maszyn. Linia produkcyjna zajmuje też mniej miejsca, dzięki czemu zmniejszają się ogólne rozmiary fabryki. Zanim jednak uda się zrealizować tę wizję, trzeba będzie włożyć sporo pracy w ulepszenie procesu mikrocieczy. "Obecnie wyprodukowaliśmy pojedynczy tranzystor, aby udowodnić przydatność procesu" - mówi Furusawa. "Oczywiście naszym celem jest wytwarzanie milionów tranzystorów, jednolicie i bez defektów".
Badacze starają się też opracować płynne wersje innych materiałów, których będzie można użyć jako przewodników i izolatorów, podstawowych składników każdego tranzystora. Muszą również wymyślić sposób na domieszkowanie płynnego krzemu w celu modyfikowania jego właściwości elektrycznych.
Ponieważ tranzystory cienkowarstwowe używane do włączania i wyłączania pikseli na wyświetlaczach LCD mają względnie duże rozmiary, Epson planuje wykorzystać je pierwszą praktyczną demonstrację produktu, który można wytwarzać z wykorzystaniem technologii mikrocieczy. Innymi obszarami potencjalnych zastosowań są wyświetlacze złożone z organicznych diod świecących (OLED) oraz ogniwa słoneczne.
Reklama
