Υψηλής ταχύτητας εκτύπωση με laser μη νευτώνειων αγώγιμων μελανιών μεταλλικών νανοσωματιδίων για την ανάπτυξη μικροηλεκτρονικών διατάξεων
Authors: Θεοδωράκος Ιωάννης 
Published: September 2021

Η ραγδαία ανάπτυξη των τελευταίων δεκαετιών στον κλάδο της μικροηλεκτρονικής και των εύκαμπτων ηλεκτρονικών, έχει φέρει στο προσκήνιο μία πληθώρα νέων εφαρμογών και τεχνολογιών, οι οποίες απαιτούν μία διαφορετική προσέγγιση από την καθιερωμένη, στον τρόπο με τον οποίο παρασκευάζονται οι μικροηλεκτρονικές διατάξεις. Πλέον, η πολυπλοκότητα και η ποικιλομορφία τους έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνικών, στις οποίες η υλοποίηση του τελικού σχεδίου γίνεται ψηφιακά, απευθείας από το εκάστοτε σχέδιο, χωρίς τη χρήση μάσκας ή καλουπιών. Ταυτοχρόνως, οι περισσότερες νέες εφαρμογές σχετίζονται με εύκαμπτα υποστρώματα (χαρτί, πλαστικά, υφάσματα και άλλα), τα οποία δεν είναι πλήρως συμβατά με τη χρήση παραδοσιακών τεχνικών ανάπτυξης διατάξεων, όπως η λιθογραφία. Άλλα ακόμα και τα υλικά τα οποία συμμετέχουν στην υλοποίηση αυτών των νέων τεχνολογιών απαιτούν μία καινούργια προσέγγιση στην κατασκευή μικροδιατάξεων. Υλικά όπως βιολογικά μόρια, πολυμερικά υλικά, δισδιάστατες μεμβράνες αλλά και πλήθος νανοσωματιδίων έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται και να δοκιμάζονται στα επιμέρους στοιχεία μίας μικροηλεκτρονικής διάταξης, ακριβώς γιατί έχουν εφευρεθεί νέοι τρόποι κατασκευής μικροηλεκτρονικών διατάξεων. Μία πολλά υποσχόμενη τεχνική εκτύπωσης που ενσωματώνει τις παραπάνω προδιαγραφές εί-ναι και η τεχνική της απευθείας εκτύπωσης με laser (Laser Direct Printing, LDP), ή αλλιώς τεχνική εμπρόσθιας μεταφοράς με laser (Laser Induced Forward Transfer, LIFT). Η τεχνική LIFT, παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με άλλες τεχνικές εκτύπωσης, όπως για παράδειγμα, συμβατότητα με πλήθος υλικών από την υγρή έως τη στερεή φάση και ταυτόχρονα, μπορεί να συνδυαστεί με άλλες τεχνικές laser, προσδίδοντας μεγάλη ευελιξία ως προς την πολυπλοκότητα των εφαρμογών που μπορούν να υλοποιηθούν με την τεχνική αυτή. Παρ’ όλο το ενδιαφέρον και τις προσδοκίες που έχουν δημιουργηθεί γύρω από την τεχνική LIFT και την εφαρμογή αυτής στην κατασκευή μικροηλεκτρονικών διατάξεων, φαίνεται να υπάρχει μία δυσκολία στην καθιέρωσή της στη βιομηχανία, γεγονός που σχετίζεται κυρίως με την επαναληψιμότητα και την αξιοπιστία της τεχνικής σε μεγάλης κλίμακας εκτυπώσεις. Προς την κατεύθυνση αυτή, στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκαν οι παράμετροι και οι συνθήκες που επηρεάζουν την ποιότητα της εκτύπωσης αγώγιμων μελανιών μεταλλικών νανοσωματιδίων, τόσο κατά την εκτύπωση μεμονωμένων σταγόνων, όσο και στην εκτύπωση συνεχών γραμμών. Αναπτύχθηκε σταθμός εκτύπωσης με laser στον οποίο ο συνδυασμός παλμικής πηγής laser (Nd:YAG στα 532 nm και διάρκεια παλμού μερικά ns) υψηλής συχνότητας (έως και 500 kHz), με τη χρήση γαλβανομετρικού συστήματος καθρεπτών, για τη σάρωση της δέσμης πάνω στο δείγμα, έκανε εφικτή την μελέτη της εκτύπωσης σε υψηλές ταχύτητες, έως και 2 m/s. Παράλληλα παρείχε την δυνατότητα της μελέτης του σταδίου της θερμοσυσσωμάτωσης σε υψηλές συχνότητες και με μεγάλα ποσοστά επικάλυψης κατά τη σάρωση. Μελετήθηκαν, για πρώτη φορά, αγώγιμα μελάνια μεταλλικών νανοσωματιδίων (ασημιού και χαλκού), ειδικά σχεδιασμένα για εκτύπωση με την τεχνική LIFT, αναζητώντας τις παραμέτρους εκείνες οι οποίες θα εξασφαλίσουν τη βέλτιστη συμπεριφορά τους κατά την διαδικασία της εκτύπωσης. Προέκυψε, μέσω προσομοιώσεων αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων, πως το κύριο χαρακτηριστικό των μελανιών αυτών και αναγκαία προϋπόθεση για την εκτύπωση τους μέσω του σχηματισμού καλά καθορισμένου κατευθυντικού πίδακα, είναι ο μη-Νευτώνειος χαρακτήρας τους και η ψευδοπλαστική συμπεριφορά τους. Χάρη στη συμπεριφορά αυτή, είναι εφικτή η εκτύπωση μελανιών, τα οποία απαρτίζονται σε μεγάλο ποσοστό από μεταλλικά νανοσωματίδια (60% - 80%), ιδιότητα που βελτιώνει κατά πολύ την αγωγιμότητά τους ύστερα από το στάδιο της θερμοσυσσωμάτωσης. Ταυτόχρονα, αναδείχθηκε ο ρόλος των ρευστομηχανικών ιδιοτήτων των μελανιών (ιξώδες και επιφανειακή τάση) τόσο κατά τη διαδικασία της εκτύπωσης, όσο και κατά την τελική φάση της εξάπλωσης της εκτυπωμένης σταγόνας πάνω στο υπόστρωμα, σε συνδυασμό με τις ιδιότητες διαβροχής της επιφάνειας, αλλά και πώς αυτά τα χαρακτηριστικά επηρεάζουν την συνένωση των διαδοχικών εκτυπωμένων σταγόνων προς τη δημιουργία γραμμών. Η πειραματική μελέτη της εξέλιξης του πίδακα και της εξάπλωσης της σταγόνας πραγματοποιήθηκε, για πρώτη φόρα, με τη χρήση συστήματος απεικόνισης με κάμερα υψηλής ταχύτητας (έως και 500 kfps), η οποία μας έδωσε την δυνατότητα να μελετήσουμε τη δυναμική εξέλιξη του κάθε πίδακα καθ’ όλη την διάρκεια του φαινομένου, εξάγοντας σημαντικές πληροφορίες, όπως την ταχύτητα του πίδακα, το χρόνο σπασίματος του, καθώς και γεωμετρικά χαρακτηριστικά αυτού (μέγεθος σταγόνας κατά την πρόσκρουση στο υπόστρωμα, πάχος, …). Τα πειραματικά αποτελέσματα συνδυάστηκαν με προσομοιώσεις της εξέλιξης του πίδακα με τη χρήση του λογισμικού ANSYS fluent και με μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων, από τις οποίες αντλήθηκαν σημαντικές πληροφορίες κυρίως για τη συμβολή του μη-νευτώνειου χαρακτήρα στην εξέλιξη του πίδακα, καθώς και χαρακτηριστικά της δυναμικής εξέλιξης του φαινομένου. Μετά το στάδιο της εκτύπωσης των αγώγιμων μελανιών μεταλλικών νανοσωματιδίων είναι απαραίτητο και ένα στάδιο θερμοσυσσωμάτωσης των μεταλλικών νανοσωματιδίων, κατά το ο-ποίο τα νανοσωματίδια που εμπεριέχονται στην εκτυπωμένη δομή τήκονται μερικώς και συνενώνονται προς το σχηματισμό ενιαίου αγώγιμου δρόμου. Η διαδικασία αυτή, σε πολλές εφαρμογές, που δεν συμμετέχουν θερμικώς ευαίσθητα υποστρώματα, μπορεί να πραγματοποιηθεί και με τη χρήση συμβατικού φούρνου. Όμως, όταν η εφαρμογή απαιτεί την εκτύπωση πάνω σε ευαίσθητα υποστρώματα, όπως για την κατασκευή εύκαμπτων ηλεκτρονικών, η χρήση οπτικής θερμοσυσσωμάτωσης είναι επιβεβλημένη. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε η θερμοσυσσωμάτωση με τη χρήση laser εκτυπωμένων γραμμών μελανιών μεταλλικών νανοσωματιδίων και οι παράμετροι που την επηρεάζουν, οι οποίες σχετίζονται με τη διάρκεια παλμού του laser, το μήκος κύματος, την ταχύτητα σάρωσης, πάντα σε συνδυασμό με τις θερμικές και οπτικές ιδιότητες των εκτυπωμένων μελανιών αλλά και των υποστρωμάτων. Η πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκε με ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των θερμοσυσσωματωμένων εκτυπωμένων δομών, πάνω σε γυαλί, αλλά και σε εύκαμπτα πλαστικά υποστρώματα, όπως το PEN (Polyethylene naphthalate). Η πειραματική διαδικασία συνδυάστηκε με τη διεξαγωγή προσομοιώσεων, για την εύρεση του επαγόμενου, από την ακτινοβόληση με το laser, θερμοκρασιακού προφίλ στο βάθος της εκτυπωμένης δομής καθώς και στο υπόστρωμα. Οι προσομοιώσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση των λογισμικών Sentau-rus Process TCAD και ANSYS Mechanical. Προέκυψε πώς παλμοί σύντομης χρονικής διάρκειας (ns και ps), περιορίζουν το θερμικό αποτέλεσμα στο σύνολο της εκτυπωμένης δομής και σε πολύ μικρό βάθος μέσα στο υπόστρωμα (της τάξης των μερικών δεκάδων nm για τους παλμούς ns). Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι, οι παλμοί ns μπορούν να οδηγήσουν στο επιθυμητό αποτέλεσμα θερμοσυσσωμάτωσης, προστατεύοντας παράλληλα σε μεγάλο βαθμό το ευαίσθητο υπόστρωμα. Τέλος, για τη μελέτη των δυνατοτήτων των τεχνικών αυτών υλοποιήθηκε μία σειρά εφαρμογών με ιδιαίτερα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Αναπτύχθηκαν ηλεκτρόδια για τη χρήση σε αισθητήρες αφής, ηλεκτρόδια για εφαρμογές σε οργανικές φωτοβολταϊκές κυψέλες και κεραίες ραδιοσυχνοτήτων, τόσο με μελάνια νανοσωματιδίων ασημιού όσο και με νανοσωματίδια χαλκού.