Жидкий кремний: новая перспектива микроэлектроники

 


Жидкий кремний, технология промышленного производства которого разработана специалистами компании Epson, можно распылять по подложке для получения тонкой пленки, готовой для последующей обработки, и использовать в струйных принтерах для печати транзисторов. Специалисты Epson считают, что этот способ окажет значительное влияние на методы изготовления полупроводниковых чипов в будущем.
Новая форма кремния была разработана Epson совместно с японской компанией JSR Corporation, занимающейся исследованиями в области химии. Некоторые моменты новой технологии CNews освещал ранее, однако теперь появилась возможность рассказать об этом более подробно.

Несмотря на то, что кремний является одним из наиболее распространенных на Земле химических элементов, из которого на одну треть состоит земная кора, использование кремния в микроэлектронике сопряжено с рядом трудностей, ведущих к удорожению конечного продукта. Сверхчистый кремний дорог, к тому же значительная его часть теряется на различных стадиях производства микросхем. Однако альтернативу существующим технологиям пока что найти не удалось.

В то время как многие специалисты сконцентрировались на поиске и создании материалов, способных заменить кремний, ученые из Epson решили подойти к этой проблеме с другой стороны. Вместо поиска заменителя кремнию Тацуа Шимода (Tatsuya Shimoda) из научно-исследовательского подразделения компании предложил создать новую форму кремния, используя для этого процесс химического растворения, переводящий твердое вещество в раствор.

Было выдвинуто предположение, что в жидкой форме кремний можно использовать наподобие чернил. Данный метод должен был позволить значительно снизить расход вещества и использовать лишь его необходимое количество при производстве транзисторов.

Большинство ученых посчитали данную идею бессмысленной, полагая, что создание раствора загрязнит кремний и сделает его непригодным к использованию. Более того, даже в случае успешного исхода возникают дополнительные трудности в реализации процесса изготовления транзисторов.

Однако специалисты в области химии из компании JSR поддержали идею Epson. Проведя ряд экспериментов, совместная группа остановилась на комбинированной форме кремния и водорода, известной как циклопентазилин (cyclopentasilane), состоящей из пяти атомов кремния и 10 атомов водорода. Однако первые попытки использовать циклопентазин для создания кремниевого слоя оказались неудачными.

«Несмотря на то, что при комнатной температуре данная смесь находится в жидком состоянии, и, таким образом, идеально подходит для решения поставленной задачи, при нагреве она испаряется еще до того, как образуется кремниевая пленка, не оставляя на подложке ничего вообще», - пояснил руководитель группы Масахиро Фурусава (Masahiro Furusawa).

В поисках решения сложившейся проблемы ученые решили использовать чувствительность циклопентазилина к ультрафиолетовому излучению. Облучая вещество, ученые обнаружили атомные кольца, которые преобразовывались в длинные молекулярные цепи. Эти цепи придавали веществу свойства вязкого масла или твердого вещества, а также намного меньше подвергались испарению. «Полученный в результате полисилан (polysilane) был известен довольно давно, - говорит Фурусава. - Однако в большинстве случаев он игнорировался учеными, полагавшими, что его невозможно очистить».
Тем не менее, после экспериментов с облучением ученым удалось создать раствор, который при дальнейшей обработке и нагревании можно преобразовать в чистую аморфную кремниевую пленку.

Сам по себе аморфный кремний не может служить основой для полноценной замены микросхемам на кристаллическом кремнии – по своим полупроводниковым характеристикам он занимает промежуточное положение между органическими материалами с низкими характеристиками и высококачественным кристаллическим кремнием. Однако японским ученым удалось существенно улучшить его качество.

Эксперименты по очистке нового материала с помощью лазерного излучения позволили получить жидкий материал со свойствами кристаллического кремния, который являлся первичным продуктом для производства кремниевой пленки высокого качества с использованием процесса химического синтеза.

По словам Фурусавы, вещество не требует высокотемпературной металлургической очистки, однако производство пленки без осложнений не обходится - требуется дальнейшая очистка с целью получения устойчивой структуры в течение всего производственного процесса. Кроме того, необходимо соблюдать ряд мер предосторожности с целью предотвращения попадания кислорода.

Наряду с относительно невысокой стоимостью производства жидкого кремния, вещество пригодно для нанесения посредством печатной технологии, которая получила название «micro-liquid process». Прямое нанесение вещества с помощью струй не требует использования литографии или других дорогостоящих процессов формирования транзисторов, применяемых в традиционном производстве. Сокращается количество технологических операций и сокращается их общая продолжительность, исчезает необходимость в дополнительном оборудовании. Сокращается производственная площадь.

Окончательная «шлифовка» технологии займет еще какое-то время. «Для достижения подобных перспектив необходимо провести дополнительные работы по очистке жидкого кремния. На сегодняшний момент мы сделали всего один транзистор для демонстрации пригодности процесса, но конечной целью является создание миллионов транзисторов по единообразной технологии и без дефектов, - сообщил для RND.CNews Андрей Салтрукович, менеджер по продуктам московского представительства компании Epson Europe B.V. - Также наши исследователи пытаются создать жидкие формы других материалов, которые можно будет использовать в качестве проводников и диэлектриков, основных элементов любого транзистора. Очередной задачей, возникшей перед нами, является видоизменение жидкого кремния для модифицирования его электрических свойств».
«Совмещение технологии micro-liquid process и пьезоэлектрической технологии печати Epson позволит в будущем создавать очень компактные многослойные чипы и действительно большие экраны, лишенные недостатков присущих современным технологиям производства. При относительно больших размерах тонкопленочных транзисторов, используемых для управления пикселями в ЖК-экранах, компания Epson намерена использовать подобные экраны в качестве первой практической демонстрации продукта, который можно будет производить по технологии micro-liquid process».

«Другими возможными областями использования данной технологии могут стать производство OLED-экранов и солнечных элементов. Кроме того, уже сегодня один из видов нового процесса используется при производстве ЖК-панелей для проекторов. Все новинки, созданные по технологии micro-liquid process, будут дешевле в производстве благодаря более эффективному использованию материалов, а заводы по их производству, в перспективе, могут уменьшиться до размеров рабочего стола».

Высокая пространственная точность печати с использованием струйных технологий привела к появлению 3D-принтеров, способных «распечатывать» детали для бомбардировщиков, живые ткани и даже самих себя, создавая собственные копии – новые принтеры. Однако до последнего времени возможности создания новых устройств методами струйной печати ограничивались невозможностью создания таким образом полноценных электронных схем с кремниевыми полупроводниками.

Технология, разработанная специалистами Epson, вероятно, позволит преодолеть и этот барьер, открыв перед микроэлектроникой новые перспективы.

Источник: CNews.ru