3D打印對(duì)半導(dǎo)體制造的影響

長期以來，將打印技術(shù)用于微細(xì)加工中的工業(yè)制造過程一直被認(rèn)為是 3D 打印的圣杯。公司當(dāng)然已經(jīng)嘗試過，但現(xiàn)有技術(shù)（例如傳統(tǒng)噴墨打?。o法提供有效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠所需的超高分辨率和放置精度。

快進(jìn)到今天，一系列新技術(shù)即將出現(xiàn)，它們有可能改變?cè)S多市場(chǎng)，尤其是半導(dǎo)體和顯示器行業(yè)。顯然，我們已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字打印成功地從圖形擴(kuò)展到幾何對(duì)象的 3D 打印的時(shí)代，并且現(xiàn)在即將通過實(shí)現(xiàn)微電子產(chǎn)品的功能打印來實(shí)現(xiàn)下一次飛躍。

傳統(tǒng)噴墨打印的局限性

隨著顯示器市場(chǎng)等以微細(xì)加工為基礎(chǔ)的行業(yè)開始意識(shí)到增材制造的好處，印刷機(jī)械制造商被要求提供一種印刷技術(shù)，該技術(shù)可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)圖形打印精細(xì) 100 倍的細(xì)節(jié)。在噴墨打印的情況下，下圖左側(cè)的示意圖說明了傳統(tǒng)技術(shù)的工作方式：液體從細(xì)噴嘴內(nèi)部擠壓，產(chǎn)生微小的墨滴。

圖 1上圖突出顯示了傳統(tǒng)壓電噴墨打印與新靜電技術(shù)之間的性能參數(shù)和差異。資料來源：斯克羅納股份公司

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)過程的問題在于它只允許噴射稀薄的墨水，然后由于它們的高流體含量而被壓平在基材上。驅(qū)動(dòng)的液滴不小于噴射它們的噴嘴的尺寸。這種傳統(tǒng)的推動(dòng)概念在物理上將噴嘴尺寸限制在幾十微米，因此難以達(dá)到微加工所需的超高分辨率。

一種新的替代方法是使用靜電力將液體從噴嘴中拉出，形成一個(gè)尖錐并將所有能量集中到該錐的尖端。正是從這個(gè)微小的尖端噴射、加速并向下引導(dǎo)小液滴。由于力聚焦效應(yīng)，液滴不再受限于噴嘴的尺寸，實(shí)際上可以縮小 10 倍以上。

由于不需要從噴嘴內(nèi)部將力引導(dǎo)至噴嘴出口，因此該技術(shù)基本上不受墨水厚度的影響，允許幾乎同等地處理稀薄和濃稠的流體。小液滴可以準(zhǔn)確地放置在基板上，并且小體積快速干燥并形成小于 1 μm 的 3D 項(xiàng)目。

由于靜電噴射原理或多或少與墨水無關(guān)，它為使用多種墨水打開了大門。這些墨水的粘度至少是當(dāng)今傳統(tǒng)噴墨打印頭中使用的墨水的 100 倍。理論上，甚至可以用蜂蜜打印。除了典型的納米顆粒金屬墨水外，這種使用多種流體打印的能力將使用案例擴(kuò)展到各種材料，例如：

• 分子和鹽溶液
• 微粒和蛋白質(zhì)
• 熔體、蠟和環(huán)氧樹脂

通過這種新工藝，為了使其流變性與噴墨打印頭兼容而對(duì)油墨進(jìn)行昂貴的處理變得過時(shí)了。雖然單個(gè)噴嘴已經(jīng)展示了微細(xì)加工的前所未見的性能，但只有通過使用單個(gè)微細(xì)加工 MEMS 芯片將這些噴嘴復(fù)制 1，000 倍才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)使用。

這使得以肉眼不可見的分辨率對(duì)由多種材料打印的功能元件進(jìn)行數(shù)字微加工成為可能。這反過來又允許開發(fā)我們只設(shè)想過的產(chǎn)品。一個(gè)例子是一種隱形觸摸屏，它的打印速度和今天在典型的辦公室打印機(jī)上打印圖像一樣快速和經(jīng)濟(jì)。這種能力有可能徹底改變半導(dǎo)體、顯示器和許多其他類似產(chǎn)品的制造。

對(duì)半導(dǎo)體制造的影響

在任何材料上進(jìn)行大規(guī)模打印的能力可以提高為當(dāng)今和未來生產(chǎn)創(chuàng)新產(chǎn)品的速度、準(zhǔn)確性和成本。半導(dǎo)體和顯示器制造行業(yè)是增材制造的理想目標(biāo)，可降低其復(fù)雜性、高成本以及高用水和能源消耗，同時(shí)提供所需的高分辨率。

如下圖所示，這可以將某些半導(dǎo)體后端組件的制造步驟減少 10 倍，同時(shí)還可以顯著減少材料、能源和水的使用。由于多個(gè)步驟（半導(dǎo)體設(shè)備上的一個(gè)組件需要 20 多個(gè)步驟），制造可能需要長達(dá) 15 周的時(shí)間，行業(yè)平均時(shí)間為 11-13 周。此外，一家半導(dǎo)體工廠每天可能使用 2 到 400 萬加侖的超純水 （UPW），大約相當(dāng)于 4 萬戶家庭的用水量。

圖 2增材制造功能印刷可以將某些半導(dǎo)體后端組件的制造步驟（例如再分布層 （RDL） 的微細(xì)加工）減少 10 倍。

這種技術(shù)也可以改變其他市場(chǎng)。例如，尚未看到的分辨率和層厚控制可以打印量子點(diǎn) RGB 濾色片，用于游戲和虛擬世界應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中的高亮度、全彩 micro-LED 顯示器。它還可用于 PCB/印刷電子、MEMS 和傳感器、生命科學(xué)和安全印刷。

靜電優(yōu)勢(shì)

利用靜電噴射原理，可以實(shí)現(xiàn)大噴嘴陣列的同時(shí)打印，與傳統(tǒng)噴墨相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

分辨率提高 100 倍的超高分辨率打印

噴射頻率提高 10 倍的高速打印

更小的液滴不僅可以提高精度，還可以快速干燥

可實(shí)現(xiàn)縱橫比 》10:1 的 3D 打印以及納米層厚度控制

MEMS 打印頭定制，動(dòng)態(tài)且完全可編程

通過專有的環(huán)境控制系統(tǒng) （ECS） 防止噴嘴堵塞

高分辨率和高通量的獨(dú)特組合有可能為大規(guī)模生產(chǎn)重新發(fā)明微制造，以經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方式加速產(chǎn)品發(fā)明。對(duì)于從半導(dǎo)體到生物技術(shù)中的分子印刷的廣泛行業(yè)來說，這是一個(gè)巨大的飛躍。

Walter Braun是 Scrona AG 的首席運(yùn)營官。