Используя возможности наноимпринт-литографии, российский стартап «Фотоника. Тех» разрабатывает технологию массового производства сложнейших наноструктур, которые будут ключевыми элементами будущих очков дополненной реальности, датчиков для беспилотного транспорта и высокоскоростных устройств анализа генома.
Цифровая эволюция: от электроники к фотонике
Сегодня трудно представить нашу жизнь без электронных устройств — смартфонов, компьютеров и умных гаджетов. Каждое из них ежедневно создает и обрабатывает колоссальные объемы данных. Однако рост их производительности замедляется с каждым годом по мере того, как мы все ближе подходим к физическим пределам возможностей электроники. Ученые по всему миру активно ищут способы решения этой проблемы.
Одним из наиболее перспективных подходов становятся технологии фотоники, использующие свет для передачи и обработки информации вместо привычных электронов. Например, еще недавно оптоволокно использовалось только для связи между дата-центрами, но сегодня оно приходит в каждую квартиру, а в скором будущем сможет заменить медные соединения внутри компьютеров, устраняя узкие места в передаче данных.
Пора переходить на светлую сторону — использовать фотоны вместо электронов!
Чтобы создавать фотонные устройства, необходимы оптические элементы, размеры которых намного меньше толщины человеческого волоса (сравнимые с длиной волны света порядка 1 микрона или 1/1000 мм). Традиционные методы литографии, использующиеся в микроэлектронике, плохо подходят для их создания, поэтому ученые нашли новый путь — наноимпринт-литографию. Эта технология напоминает процесс создания старинных гравюр и виниловых пластинок, но на микроскопическом уровне.
Наноимпринт-литография — от гравюр к микросхемам
Традиционные методы литографии основаны на создании структуры в слое полимера, нанесенного на поверхность целевого материала. Это делается за счет изменения физических или химических свойств полимера под воздействием ультрафиолетового света или пучка электронов. Области, которые были облучены, меняют свои свойства, что позволяет выборочно удалить их или, наоборот, оставить на подложке. Образованный таким образом трафарет служит шаблоном для модификации целевого материала: можно добавлять новые слои, удалять существующие или изменять их свойства. Однако ключевое ограничение метода заключается в его бинарной природе — трафарет либо присутствует, либо отсутствует. Это существенно осложняет создание структур сложной геометрии, например, элементов с плавными переходами или наклонными стенками.
Наноимпринт-литография похожа на процесс печати гравюр, только в сверхминиатюрном масштабе. Вместо литографский камня используется специальный мастер-штамп, точно воспроизводящий необходимую структуру в масштабе 1:1. Для его производства применяются традиционные литографические методы — это сложный и дорогостоящий этап, но он выполняется лишь один раз.
Наноимпринт-литография — это как возвращение к древним ремеслам: гравюре и тиснению. Только теперь все очень-очень маленькое.
После создания мастер-штампа его можно многократно использовать для серийного производства идентичных наноструктур. Для этого штамп прижимают к тонкому слою жидкого полимера (так называемого резиста), нанесенного на поверхность целевого материала. Благодаря пластичности материала, резист точно повторяет все особенности рельефа штампа, формируя его зеркальную копию. На следующей стадии полимер со сформированной в нем структурой закрепляется под ультрафиолетовым светом, как гель-лак для маникюра. После полного затвердевания мастер-штамп аккуратно отделяется и может быть использован для копирования наноструктуры на следующую подложку.
Несмотря на кажущуюся простоту процесса, у наноимпринт-литографии много тонкостей. Например, нужно правильно выбрать материал полимера, чтобы он легко заполнял мельчайшие детали и не повреждался при снятии штампа. Если полимер используется непосредственно для формирования нанофотонных структур, его оптические свойства должны соответствовать требованиям применения. Когда же резист служит маской для последующей обработки, важно подобрать технологические процессы, которые не приведут к деформации созданных структур.
Процесс физического отделения штампа после отверждения резиста может повредить отдельные элементы структуры. Это ограничивает применение наноимпринт-литографии в производстве электронных компонентов, где даже незначительный дефект в критическом месте способен вызвать короткое замыкание, полностью выводящее устройство из строя. Однако в случае фотонных устройств ситуация принципиально иная, потому что повреждение или отсутствие отдельных элементов не вызывает полного отказа устройства, а приводит лишь к незначительному снижению эффективности.
От AR-очков до ДНК-чипов
Уникальные возможности наноимпринт-литографии оказываются особенно ценными для производства нанофотонных устройств. Например, способность создавать структуры с наклонными поверхностями является важным инструментом для повышения и точной регулировки эффективности отдельных оптических элементов. Не менее значима возможность формирования наноструктур на большой площади — если традиционная литография, как правило, ограничена площадью 26×33 мм, то наноимпринт-литография позволяет создавать структуры на подложках размером до 1100×1300 мм. Более того, метод может работать в непрерывном режиме при использовании вращающегося ролика в качестве штампа.
Сейчас главная область применения наноимпринт-литографии — производство оптических элементов для прозрачных очков дополненной реальности. Для создания легких и компактных устройств с ярким и четким изображением ведущие мировые производители используют технологию дифракционных волноводов: стекло в таких очках выполняет роль перископа, позволяя пользователю заглянуть в миниатюрный экран или проектор, расположенный в оправе. Распространение света внутри стекла происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения. Благодаря этому стекло сохраняет прозрачность, и пользователь может одновременно видеть и цифровое изображение, и окружающий мир. Ввод и вывод изображения в стекло обеспечивают дифракционные оптические элементы (ДОЭ), изготовленные методом наноимпринт-литографии.
Другая активно развивающаяся область применения наноимпринт-литографии — секвенирование ДНК. Наноимпринт используется для создания оптических ячеек, которые содержат от миллиардов до десятков миллиардов наноразмерных колодцев, расположенных в строго фиксированных позициях. Такая структура обеспечивает равномерное распределение кластеров для секвенирования, при этом сохраняя высокую плотность, что позволяет значительно сократить время проведения каждого цикла секвенирования.
Несмотря на сложность использования технологии для производства электронных компонент, в 2023 году Компания Canon представила первую в мире коммерческую систему наноимпринт-литографии для производства полупроводников. Согласно заявленным характеристикам, система способна изготавливать элементы с критическим размером до 14 нм, что сравнимо с последним поколением EUV литографов от ASML, при ожидаемой стоимости покупки и обслуживания до десяти раз меньше. Стоит отметить, что предполагаемой областью применения в первую очередь является производство флеш-памяти по технологии 3D NAND со сложной трехмерной структурой, но более устойчивой к локальным дефектам.
Фотоника.Тех
«Фотоника.Тех» занимается разработкой оптических элементов для дополненной реальности (AR — Augmented Reality). В 2024 году стартап стал финалистом акселератора Сбер500, обойдя 2700 претендентов из 29 стран. В финале конкурса получил возможность представить один из разрабатываемых им продуктов инвесторам и представителям крупного бизнеса. Речь идет об AR-шлеме на базе когнитивного AI для инженеров нефтяной промышленности, строительства, логистики
Наша миссия — создавать передовые фотонные технологии — драйверы для AI, IoT, Robotics и Automation.
После прохождения акселератора пришло понимание, что для успешной разработки AR-устройств в первую очередь необходимо создать производственные инструменты для нанофотонных структур. На текущий момент технология наноимпринт-литографии мало известна в России, а университеты и компании, которые имеют опыт ее использования, можно пересчитать на пальцах. Помимо AR-устройств наноимприт-литография позволяет изготавливать оптические элементы для ЛИДАРов, датчиков глубины пространства, фотонных интегральных схем, спектрометров, гиперспектральных камер,
Самым сложным в разработке наноимпринт-литографии является отработка технологического процесса: выбор материала и разработка процесса изготовления гибкого штампа, выбор термического или фотозакрепляемого полимера, подбор условий формирования оттиска — давление, температура, влажность, доза УФ-облучения. Для отработки процесса «Фотоника.Тех» создала лабораторную установку, показанную на фотографии ниже. Установка работает на длине волны 405 нм, что позволяет использовать широкодоступные фото-закрепляемые смолы.
Через 10 лет фотоника будет лежать в основе большинства устройств, с которыми мы сталкиваемся ежедневно.
На текущий момент стартап уже научился копировать структуры размерами до 800 нм на площади до 15 см². Эта установка подходит для прототипирования и мелкосерийного производства. Сейчас «Фотоника.Тех» работает над следующим поколением и планирует довести разрешение до 300 нм, что необходимо для создания оптических элементов для устройств дополненной реальности. Помимо этого основатели активно сотрудничают с Университетом ИТМО и Институтом аналитического приборостроения РАН, исследуя возможность применения наноимпринт-литографии для изготовления дифракционных решеток и наноструктурированных ячеек для секвенирования ДНК.
