Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии формирования наноструктурированных пленок и покрытий трехмерных объектов методом аэрозольно-ультразвукового распыления коллоидных растворов для задач создания функциональных элементов микро- и органической электроники, а также композитных материалов.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
пленочные нано-покрытия, автоматизированное нанесение, трехмерные структуры, ультразвуковое напыление, фоторезист, органическая электроника, гибкие полимеры, композитные структуры

Цель проекта:
На сегодняшний день существует ряд методов для нанесения пленок наноматериалов из коллоидных растворов, среди которых наиболее распространены такие методы как раскатывание и центрифугирование (спин-коатинг). Однако данные методы обладают рядом существенных проблем: - равномерность по распределению компонент раствора и толщине на больших площадях, формирование однородных по свойствам толстых слоев (более 10 мкм) композитных пленок из нестабильных коллоидных систем, а также фоторезистивных пленок; - обеспечение равномерности по толщине при отсутствие дефектов, что особенно важно при нанесении фоторезиста, для задач микроэлектроники; - распределение наполнителя в матрице композиционных материалов поскольку только при оптимальном распределении возможно получении наилучших параметров композиционного материала; - нанесение тонких слоев, вплоть до суб-микронного уровня, на больших площадях, что важно для органической электроники и фотовольтаики; - непропорциональный рост стоимость нанесения фоторезистивных материалов и их потери при их нанесении центрифугированием, при увеличении площади подложки. С учетом физических и экономических требований к методам нанесения пленок наноматериалов, поставлены следующие задачи: - разработать метод аэрозольного и нанесения раствора, в сочетании с ультразвуковым воздействием, позволяющую: - формировать из коллоидных растворов композиционные покрытия с контролируемым распределением компонентов и однородностью свойств по объему материала; - формировать композиционные и фоторезистивные покрытия на больших площадях с обеспечением воспроизводимого результата и малого разброса по толщине. - Разработать методики формирования наноструктированных прозрачных проводящих пленок, и пленок фоторезиста толщиной от 0,5 до 100 мкм. Целью проекта является создание автоматизированной установки и оптимизация процесса получения наноструктурированных пленок на различных поверхностях подложек методом аэрозольного и электроакустического напыления коллоидных растворов для формирования структур с прогнозируемыми физико-механическими свойствами, для нанесения фоторезиста, а также создания защитных и функциональных полимерных покрытий для микро- и органической электроники.

Основные планируемые результаты проекта:
Формируемые наноструктурированные и прозрачные проводящие пленки на основе наноматериалов должны обеспечивать возможность использования их в качестве прозрачных проводящих покрытий, с обеспечением приемлемой прозрачности не менее 90%, возможности изгиба на угол 30 град. при радиусе 10 мм без ухудшения проводимости более чем на 10%, и приемлемой проводимости для формирования электродов для органической электроники.
Экспериментальные образцы фоторезистивных покрытий для микро- и органической электроники должны обеспечивать сниженный разброс параметров по площади, формируемых при литографии элементов электроники; равномерность не более 10% отклонения по толщине по поверхности плёнки как на кремниевой пластине, так и на гибкой полимерной подложке.
Экспериментальные образцы наноструктурированных пленок должны обеспечивать отсутствие дефектности формируемой пленки, препятствующей межслойной проводимости по дефектам и проводящим конгломератам, в виду неоднородности их распределения и низкой шероховатости на нанометровом уровне менее 100 нм как на кремниевой пластине, так и на гибкой полимерной подложке.
Создаваемый макет автоматизированной установки должен иметь следующие технические характеристики:
1. максимальная площадь покрытия не менее 200 см²;
2. толщина формируемого покрытия от 0,3 до 150 микрон;
3. скорость распыления коллоидного раствора от 0,2 до 10 мл/мин;
4. подогреваемое основание с диапазоном прогрева от 0 до 150˚ С;
5. система нагрева верхнего формируемого слоя от 0 до 150˚ С;
6. система обратной связи оптического датчика, обеспечивающая контроль за нанесением коллоидного раствора;
7. рабочая температура окружающей среды от +10˚ С до +50˚ С;
8. высота перемещения по оси Z не менее 200 мм.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Будет разработана автоматизированная установка, обеспечивающая стабильное, контролируемое и равномерное распределение компонентов раствора по поверхности подложки и позволяющая реализовать технологию аэрозольного ультразвукового распыления на практике для задач формирования как наноструктурированных композитных пленок, так и пленок фоторезиста в том числе свыше 5 мкм
(существующие установки не обеспечивают работы с нестабильными коллоидными растворами и нанесение толстых пленок фоторезиста свыше 5 мкм).
2. Для достижения заявленных результатов будут разработаны: методика формирования наноструктурированных пленок из коллоидных растворов методом аэрозольного ультразвукового распыления на примере и коллоидных систем на основе углеродных наноматериалов и проводящих полимеров и предложена методика формирования прозрачных проводящих покрытий на их основе и будут проведены исследованы параметры полученных пленок
(аэрозольное формирование тонких наноструктурированных пленок только в последние 2 3 года начинает применяться для формирования слоев солнечных элементов и композитных материалов).
3. Будет разработана методика нанесения тонких и толстых слоев (от 0,5 мкм до 100 мкм) фоторезиста методом аэрозольного ультразвукового распыления на стандартные кремниевые пластины, в сравнении с методикой центрифугирования нанесения и с возможностью использования гибких подложек, а также проведением процессов фотолитографии на формируемых пленках
(использование аэрозольного нанесения для фоторезиста в случае подложек с развитым рельефом (для МЭМС структур) и диаметров более 300 мм начала использоваться лишь последние 5 лет, однако обеспечение низкой шероховатости и малого размера капель аэрозоля для пленок менее 500 нм остается проблемой, также как и механические напряжения и изгиб подожек при пленках свыше 30 мкм).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Пленочные нанопокрытия могут применяться в отраслях микро- и наноэлектроники для создания проводящих и прозрачных слоев для использования в дисплеях, сенсорных элементах, органических светодиодах и биологических аналитических системах. В области биотехнологии результаты работы могут быть использованы для создания медицинских изделий с нанопокрытиями на основе биодеградируемых полимеров для регенерации тканей, лечения ожогов и ран. С помощью формирования нанопокрытий возможно существенное улучшение свойств материалов защитных покрытий. Для области приборостроения и машиностроения возможно создание антикоррозийных, влагостойких покрытий, улучшения свойств электрической проводимости и механической прочности изделий, корпусов и деталей устройств.
Установка автоматического нанесения нанопокрытий является принципиально новым устройством, не имеющим аналогов, что, в свою очередь, позволит формировать новые виды структурированных наноматериалов и покрытий, обеспечивающих улучшение характеристик и свойств материалов и изделий, в частности влагостойкости, прочности, антикоррозийности, электрической проводимости и биологической совместимости. Предлагаемая технология и устройство позволят существенно улучшить существующие технологические процессы, а также сформировать принципиально новые технологические маршруты, учитывающие особенности, необходимые для производства наноматериалов и нанопокрытий. Принцип автоматизации, заложенный в данной разработке, позволит минимизировать влияние человеческого фактора и обеспечит высокую повторяемость и воспроизводимость параметров и характеристик нанопокрытий. Предлагаемое устройство и технология является универсальной и позволит работать с широким спектром материалов нанесения. Технология является легко масштабируемой, параметры нанесения и форма аппликатора могут быть легко изменены в зависимости от необходимых конечных параметров покрытия, а именно размеров, формы, толщины слоя и необходимой функциональности.
2. Возможными потребителями научно-технических результатов ПНИ являются научные организации, центры по исследованию наноматериалов, производственные лаборатории, биологические лаборатории, а также научно-исследовательские институты. В частности разработка будет востребована на предприятиях ОАО «Практик-НЦ», ООО «Наносенсор», ОАО «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод», ОАО «Арзамасский приборостроительный завод», ФГУП «НПО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ», ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон», ЗАО «Нанотехнологии-МДТ», ООО «Нано Скан Технология»., ООО НПП "Центр перспективных технологий", ФГУП "Научно-исследовательский институт прикладной акустики", НИИ Физических проблем им.Ф.В.Лукина, Научного центра «Износостойкость» Московского Энергетического Института, Лаборатории биомедицинских материалов МФТИ, ЗАО "Биннофарм".
Разработанные методы по формированию пленок нанометровой толщины, а также методы формирования функциональных элементов на их основе могут быть использованы при разработке методов получения тонкопленочных структур, сенсорных и микросистемных устройств высокого разрешения.

Текущие результаты проекта:
1. При выполнении текущего этапа была разработаны требования к узлам макета автоматизированной установки:
- управляющей электронике;
- программному обеспечению;
- системе дозации коллоидного раствора с поддержанием обратной связи;
- системе определения необходимости очистки распылительного сопла при нанесении коллоидных и высоковязких растворов с поддержанием обратной связи.
2. На основе экспериментов с аэрозольным распылением посредством пневматические форсунки с контролируемым сечением были разработаны:
- подходы для уменьшения размера капель аэрозоля и увеличения времени непрерывного распыления коллоидных растворов без необходимости очистки сопла;
- методика нанесения фоторезиста методом аэрозольно-ультразвукового распыления на стандартные кремниевые пластины, гибкие подложки;
- методика формирования наноструктурированных пленок методом аэрозольно-ультразвукового распыления коллоидных растворов неорганических наночастиц.