Лазерно-индуцированный прямой перенос (LIFT)
В 1986 году Д. Боханди (J. Bohandy) с соавторами продемонстрировал метод, позволяющий в вакуумной камере с помощью импульсного эксимерного лазера осадить медь с тонкой медной пленки (толщина 0,41 мкм), находящейся на поверхности кремниевой (донорной) подложки, на размещенную практически в контакте (на расстоянии менее 10 мкм) с ней акцепторную мишень.
Данный метод обеспечивает послойное нанесение материала путем повторения процесса лазерного облучения медной пленки на кремниевой подложке, но, насколько известно авторам, не позволяет создать физический объект по данным электронной геометрической модели. В связи с этим по введенной в первой статье терминологии LIFT не может быть отнесен к методам 3D-печати. Однако не вызывает сомнений, что рассматриваемый метод, как и практически любой метод нанесения покрытия, может быть отнесен к аддитивным процессам. Кроме того, он подходит под введенное ГОСТ Р 57558 определение трехмерной печати. В связи с этим в рамках данного цикла статей LIFT будем условно считать методом 3D-печати.
В соответствии с ГОСТ Р 57589 (ASMT F2792-12A) данный метод можно отнести к категории процессов «Струйное нанесение материала» (Material jetting).
Терминология
В англоязычной литературе для обозначения данного метода обычно используют термин Laser Iduced Forward Transfer (LIFT). На русском языке информация о данной технологии встречается крайне редко и обычно используется дословный перевод англоязычного термина. Поэтому для единообразия применяемой в трехмерной печати терминологии в данной статье будет употребляться термин «лазерно-индуцированный прямой перенос» (ЛИПП).
Метод ЛИПП лежит в основе многих аддитивных технологий, использующих лазеры для добавления материала в определенных местах на подложке (акцепторной мишени) без прямого контакта с ней. Например, LDW (Laser Direct Write), MAPLE DW (Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation Direct Write), LDT (Laser Decal Transfer), Dynamic Release Layer (DRL)-LIFT, Laser-Induced Thermal Imaging (LITI), Ballistic Laser-Assisted Solid Transfer (BLAST) и другие.
Принцип печати
Процесс представляет собой перенос материала с подложки-донора (ПД) на близкорасположенную подложку-акцептор (ПА) с помощью лазерного импульса. Считается, что в основе данного метода лежит термическая абляция донорного слоя.
М. Фернандес-Прадас (J. M. Fernández-Pradas) и П. Серра (P. Serra) в своей статье отмечают, что в общем случае длина волны лазера не играет ключевой роли в процессе, но должна соответствовать прозрачности ПД и поглощающей способности донорного или промежуточного слоя.
В качестве ПД выступает подложка с предварительно равномерно нанесенным на нее слоем материала, который планируется перенести на ПА. Для обеспечения процесса переноса материал должен иметь хотя бы один компонент, поглощающий лазерное излучение, или между ПД и слоем материала должен быть помещен тонкий поглощающий (промежуточный) слой — металлическая пленка толщиной в несколько десятков нанометров или более толстый полимерный слой, который подвергается абляции во время переноса для сведения к минимуму загрязнения.
ПА размещается параллельно ПД с минимальным зазором. Лазер фокусируется на ПД. Поглощение лазерного импульса материалом приводит к нагреванию материала, его абляции или их сочетанию. В некоторых случаях абляции наблюдается испарение компонентов материала или промежуточного слоя, поглощающих излучение.
Во время абляции формируется пузырек пара, который постепенно расширяется под действием лазера. Ввиду наличия жесткой ПД расширение является изотропным и может привести к созданию ударной волны внутри материала или градиента давления вокруг пузырька, идущего от его сторон к месту, обращенному к ПА. Таким образом, материал отслаивается от ПД и переносится на ПА.
Отдельно отметим некоторые ключевые особенности метода ЛИПП при его реализации для материалов с низкой вязкостью (МНВ). МНВ обычно наносится на ПД путем центрифугирования (Spin-coating) или с помощью ракеля (Blade-coating) в лабораторных условиях.
Для предотвращения проблем смачивания минимальный зазор между ПД и ПА составляет несколько десятков микрон. Причем в зависимости от реологической модели МНВ определяется значимость величины зазора: для ньютоновских жидкостей — не значим, поскольку однородность перенесенного материала может быть получена при зазоре в несколько миллиметров, для неньютоновских жидкостей — значим.
После возникновения градиента давления вокруг пузырька последующее накопление давления в месте, обращенном к ПА, приводит к формированию двух струй, направленных противоположно друг другу. Первая струя направлена к ПА и обеспечивает перенос МНВ, а вторая — к ПД через пузырек. В результате пузырь начинает схлопываться, когда давление снаружи выше, чем внутри. Первая струя может достигать в длину несколько миллиметров до появления неустойчивости Рэлея — Плато, разрушающей ее. Схемы реализации метода ЛИПП приведены на рис. 1.
Материалы
ПД может быть покрыта твердым, жидким или пастообразным материалом. Метод ЛИПП применялся для нанесения диэлектрических чернил, металлов (Ag, Au, Au/Sn, Ni, Pd, W, Pt, Cr, V, Al), оксидов металлов (Al2O3, In2O3, V2O5, YBa2Cu3O7), нанокомпозитных пленок (TiO2‑Au) полупроводников, полимеров (в том числе проводящих, таких как поли(3,4‑этилендиокситиофен), PEDOT), углеродных нанотрубок, чернил с наночастицами.
В 2020 году М. Комленок с соавторами продемонстрировал возможность переноса графена методом ЛИПП. В качестве ПД была использована кварцевая пластина, имеющая промежуточный тонкий слой алюминия и донорную пленку графена. В качестве ПА выступала кремниевая подложка (SiO2).
Особенности печати
Метод ЛИПП может служить альтернативой технологии формирования проволочных соединений между контактными площадками (КП) полупроводникового кристалла и КП печатной платы. Существующие проволочные соединения увеличивают высоту (по оси Z) электронного устройства, в то время как метод ЛИПП позволяет создать соединение в непосредственной близости к кристаллу, тем самым сделав компоновку схемы более эффективной. К. М. Чарипар (K. M. Charipar) и соавторы успешно продемонстрировали возможность создания подобного соединения, состоящего из микромоста и микростолба, между КП платы и КП анода и катода светодиода. В качестве донорного материала выступала серебряная нанопаста (вязкость ~100 Па·с). Сначала был сформирован микростолб, расположенный перпендикулярно КП платы (в направлении оси Z), высотой чуть больше высоты светодиода (для учета усадки). Затем верхняя поверхность микростолба была соединена с КП светодиода с помощью микромоста. После процесса ЛИПП созданные соединения были отверждены в печи при +125 °C в течение 45 мин.
Р. С. Ю. Ауён (R. C. Y. Auyeung) с соавторами продемонстрировал печать линий шириной 20 мкм и 19 мкм на каптоне, используя серебряные чернила разной вязкости (~14 мПа·с и >100 000 мПа·с соответственно). А. Пике (A. Piqué) и соавторы [28] показали возможность применения серебряной нанопасты для трафаретной печати (вязкость ~100 000 мПа·с) для формирования проводящих элементов шириной 5 мкм.
Кроме того, метод ЛИПП был успешно реализован для переноса дискретных компонентов, изготовления и встраивания пассивных компонентов в подложку, а также при изготовлении элементов электрохимических микроисточников энергии (например, аккумуляторов, солнечных батарей), сенсоров, печатной платы со встроенными компонентами.
Авторы
Ольга Смирнова
olga.smirnova.nik@gmail.com
Юлия Боброва
ju. s.bobrova@bmstu.ru
Константин Моисеев
k.moiseev@bmstu.ru
Обращайтесь по любым вопросам!
Подписывайтесь на наш канал, а также следите за нами в социальных сетях:
➡️ Telegram
➡️ VK
➡️ YouTube