Dimatix利用MEMS技术帮助工程师在实验室“打印”芯片

MEMS helps engineers print circuits in Lab

Dimatix Inc. claims that engineers can develop prototype circuits such as RFID antenna, flexible display, even some IC by its revolutionary bench-top digital material deposition system.

Dimatix公司不久前宣布开发出全球第一款基于MEMS工艺的压电式墨盒印刷机,利用这套精密的数字化材料沉积系统,开发人员将能够在塑料、玻璃、金属板、硅底、薄膜甚至凝胶剂等各种类型表面进行高精度功能性流体喷印。Dimatix公司一年前由Spectra更名而来,Spectra于1984年凭借美国施乐(Xerox)公司的独家许可技术而成立,以商业与工业喷墨产品闻名于世。

Dimatix材料沉积部的开发人员正在努力将这种喷墨技术发展成为一种能够实现批量生产的新型生产工艺,从而代替昂贵冗长、需要多个环节以及耗费大量运输成本的蚀刻技术。由于喷印的流体包括了毫微粒金属和有机材料,这款型号为DMP2800的桌上型数字化材料沉积系统为正在开发电子电路的工程师们带来了一个好消息——它将帮助工程师在普通实验室完成对许多电子电路的“打印”工作,其中包括RFID标签、平板与柔性显示器,甚至还能实现某些芯片的开发或者小批量制造。

“以显示器为例。尽管小分子OLED显示器还需要硅沉积技术来制造,但是对于大分子的PLED来说,现在就可以利用Dimatix的喷印技术来实现了。”Dimatix公司战略业务开发副总裁Martin Schoeppler表示,“此外,这种技术还能在生物芯片上得到应用,比如将DNA结构直接喷印在基材上。”

DMP2800桌上型数字化材料沉积系统为在实验室打印电子电路打开了一道大门,有专家称这是过去一年中出现的最具创新意义的新技术之一,它使大量面向应用的短期实验性生产成为可能。“最有趣的技术进步莫过于那些采用众所周知的工艺却沿令人意想不到的方向进行扩展的技术。”Semico研究公司的Morry Marshall表示,“Dimatix 材料印刷系统就是这样一个例子。喷墨印刷工艺众所周知,但有谁会想到使用它来印刷导电图案或有机测试图案呢？当有人这样做之后,结果就是产生了在广泛的全新应用中具有巨大应用潜力的技术。”

“MEMS技术主要用于汽车加速传感器和DLP电视数字微型反射镜组件(DMD)。然而当将其引入印刷领域时,我们发现了一个新的应用方向。”Schoeppler表示,“使用这种技术,我们在开发精密喷墨头时取得了突破。”

三层晶圆堆叠而成的“定型压电硅材微泵”。

Schoeppler所指的突破便是通过MEMS技术实现的三层晶圆堆叠而成的“定型压电硅材微泵(Shaped piezo silicon micropumps)”(见图),它是DMP2800的技术核心。包括了完整的流体泵腔(Pumping Chamber)以及喷嘴(Nozzle)。其中,最上层的PZT压电材料能够随电压变化改变形状,其他两层皆采用标准MEMS/IC制程。据称,将MEMS制程用于喷墨有两个优势,首先是能满足适用于目前以及未来喷墨技术功能性所需的尺寸公差,此外,还能够使用标准光罩(Photomasks)来设定设计尺寸。

具体而言,MEMS为精密喷墨打印带来的优势包括:首先,改进的直线性、性能与可靠性,据悉,直线性对于电子电路板和显示器的生产来说非常重要；其次,每个微型喷嘴每次喷出的流体仅有10皮(10-12)升大小,这为超细打印线宽提供了可能；最后,由于采用了独特的压电校准(Piezo Alignment)以及阻抗匹配(Impedance Matching)架构,从而使流体能够准确地流过预定的轨迹,最终形成精密电路。

一个非常有利于将这种喷印技术发展成为微成型制造工艺的优势还在于,硅材料形成的喷头具有稳定的抗化学性能,使得各种水性介质、溶剂、高酸或高碱性流体安全的流过流体泵腔。此外,硅材料还具有机械韧性,并且具备充分的抗磨耗性,所以能进行频繁的摩擦动作。

“与传统蚀刻技术的‘减’工艺相比,新型喷印技术则是一种‘加’工艺。”Dimatix公司材料沉积部业务开发总监Linda Creagh博士表示,“它带来的好处显而易见,由于项目开发当中将会省去许多工艺环节,因此将大大的缩短开发周期。”此外,她还罗列了其他四点好处,包括节省的加工处理设备成本、减少工序、节省导电材料以及由此带来环境保护。

“按照我们做过的一项估算,采用这种技术带来的直接成本节省率高达80%,这还不包括资本投入等间接成本。”她说。

不过,人们担心的是,这种所谓的“加”工艺是否真的能够保证半导体技术所需的足够的粘合性或者附着力,尤其是在需要多层电路打印的场合？“这涉及到液态材料、衬底基材以及生产工艺三项主要技术。”Schoeppler解释说,“我们同许多液态材料供应商都进行了紧密的合作,而衬底基材是不受外部环境影响的,而Dimatix独特的生产工艺则更加保证了工艺的稳定性。”

目前,DMP2800系统所能应付的最小线宽为50微米。据悉,这是目前全球最小的打印精度。面对未来,该公司显得雄心勃勃。Schoeppler透露,利用设在硅谷的一个晶圆厂,该公司正在展开可以实现更小线宽尺寸打印头的研发工作。“下一步我们打算进一步将打印精度缩小到20微米。”他说。

然而令人沮丧的是,10微米似乎是这种打印技术的线宽下限。“我们还无法使其达到纳米级的芯片制造水平。”他坦言。

作者:王彦